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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kunststoffmutter für eine Kugelgewindespindel und ein Verfahren zum Herstellen einer solchen und insbesondere eine Kunststoffmutter für eine Kugelgewindespindel hergestellt durch Spritzgießen von faserverstärktem Kunststoff gebildet durch Mischen eines aus Fasern bestehenden Verstärkungsmaterials in Matrixkunststoff sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Solchen.
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Hintergrund der Erfindung
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Es ist bekannt, als Mutter zur Verwendung in einem Vorschubspindelmechanismus eine Kunststoffmutter zu verwenden, die durch Spritzgießen von faserverstärktem Kunststoff hergestellt wird, welches gebildet wird, indem Haarkristalle (Whiskers) in Matrixkunststoff gemischt werden, welches aus PPS (Polyphenylsulfidharz) besteht. Siehe zum Beispiel das Patentdokument 1. Eine solche Mutter zur Verwendung in einem Vorschubspindelmechanismus kann hergestellt werden, indem entweder das Schraubgewinde in ihr gefräst wird oder indem das Schraubgewinde in ihr spritzgegossen wird.
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Dokument(e) des Stands der Technik
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Patentdokument(e)
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- Patentdokument 1: JP 2001-116102 A
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Zusammenfassung der Erfindung
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Von der Erfindung zu lösende Aufgabe
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Eine aus faserverstärktem Kunststoff hergestellte Vorschubspindelmutter ist stärker belastbar als eine aus gewöhnlichem Kunststoff hergestellte Vorschubspindelmutter. Wenn jedoch ein Schraubgewinde gefräst wird, führt das Vorhandensein von Verstärkungsfasern in dem Material dazu, dass sich ein gewöhnliches Schneidewerkzeug verhältnismäßig schnell abnutzt. Deshalb wird ein teures Schneidewerkzeug, wie zum Beispiel ein diamantbeschichtetes Werkzeug, benötigt und dies verursacht höhere Herstellungskosten. Da faserverstärkter Kunststoff einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als Stahl besitzt, muss des Weiteren die Fräsgeschwindigkeit gesteuert werden, um eine Verformung durch während des Schneideverfahrens erzeugter Hitze zu vermeiden, und dies trägt weiter zu den höheren Herstellungskosten bei.
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Eine aus faserverstärktem Kunststoff gefertigte Vorschubspindelmutter mit einem während eines Spritzgussverfahrens geformten Schraubgewinde kann auf eine effizientere Weise hergestellt werden als eine Vorschubspindelmutter mit einem durch Fräsen geformten Schraubgewinde und kann daher mit niedrigeren Produktionskosten hergestellt werden. Ein durch ein Spritzgussverfahren hergestelltes Gewinde nutzt sich jedoch bei der Verwendung in einem Vorschubspindelmechanismus tendenziell relativ schnell ab und eine Positionsungenauigkeit kann in einem relativ frühen Stadium der Verwendung entstehen aufgrund der Verringerung der Abmessungsgenauigkeit des Gewindes. Deshalb ist eine hergestellte Vorschubspindelmutter mit einem in einem Spritzgussverfahren gebildeten Gewinde möglicherweise nicht imstande, eine hohe Abmessungsgenauigkeit zu erreichen, die möglicherweise benötigt wird.
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Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat eine umfangreiche experimentelle Studie über die Ursache eines frühen Verschleißes der aus faserverstärktem Kunststoff hergestellten Mutter mit einem durch Spritzguss geformten Schraubgewinde durchgeführt und hat eine bestimmte Tatsache entdeckt.
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Wenn faserverstärkter Kunststoff spritzgegossen wird, bildet sich auf der äußersten (Oberflächen-)Schicht der Gewindenut eine Außenhautschicht mit einer Dicke von ein paar Mikrometern, die frei von Fasern ist. Die Außenhautschicht besteht nur aus dem Matrixkunststoff und hat eine niedrigere Abriebfestigkeit als ein Material, das Fasern enthält. Deshalb wurde geschlossen, dass die Gegenwart einer Außenhautschicht auf der äußersten Schicht der Gewindenut eine Hauptursache des frühen Verschleißes der aus faserverstärktem Kunststoff hergestellten Mutter ist.
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Wenn faserverstärkter Kunststoff spritzgegossen wird, wird einwärts der Außenhautschicht eine Ausrichtungsschicht erzeugt, die eine große Zahl von Fasern enthält, die entlang der Ebene der Außenhautschicht ausgerichtet sind. Wenn die Außenhautschicht abgerieben worden ist, kommt die Ausrichtungsschicht auf der Oberfläche der Gewindenut zum Vorschein. Da ein großer Teil der Fasern der Ausrichtungsschicht, die der Oberfläche der Gewindenut ausgesetzt ist, entlang der Oberfläche der Gewindenut lagen, sind die Fasern nicht vollständig in dem Matrixkunststoff begraben und sind deshalb verhältnismäßig schwach an den Matrixkunststoff für die Fasern gebunden. Es wurde beobachtet, dass die Ausrichtungsschicht eine größere Abriebfestigkeit aufweist als die Außenhautschicht, aber das Vorhandensein der Ausrichtungsschicht führt dazu, dass sich die Fasern mit der Zeit lösen und der resultierende Verschleiß in dem Matrixkunststoff führt mit der Zeit zu einer Verringerung der Abmessungsgenauigkeit der Gewindenut. Auf der Grundlage dieses Befunds wurde geschlossen, dass das Vorhandensein einer Ausrichtungsschicht von dem Beginn der Verwendung an, wenn eine besonders hohe Abmessungsgenauigkeit erforderlich ist, nicht wünschenswert ist. Des Weiteren wurde in Kugelgewindeanwendungen beobachtet, dass die Bruchstücke der Fasern, die sich von dem Matrixkunststoff lösten, das Rollen der Kugeln in der Gewindenut behindern können, so dass die Funktion der Kugelgewindespindel beeinträchtigt sein kann.
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In Anbetracht der Ergebnisse der von dem Erfinder durchgeführten Untersuchungen besteht ein primäres Ziel der vorliegenden Erfindung darin, eine Mutter für eine Kugelgewindespindel vorzusehen, die aus faserverstärktem Kunststoff hergestellt wird und ein durch Spritzguss hergestelltes Schraubgewinde aufweist, die einen frühen Verschleiß der Mutter verringern kann und eine hohe Abmessungsgenauigkeit über eine lange Zeitspanne hinweg zu behalten vermag.
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Mittel zur Lösung der Aufgabe
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Die vorliegende Erfindung sieht eine Kunststoffmutter für eine Kugelgewindespindel vor, die eine Gewindebohrung (24) definiert, die eine Schraubgewindenut (22) aufweist und durch Spritzgießen von faserverstärktem Kunststoff gebildet wird, der Matrixkunststoff (M) und darin eingemischte Verstärkungsfasern F enthält, wobei: die Schraubgewindenut (22) geschliffen wird, bis die Fasern (F) auf einer Oberfläche der Schraubgewindenut (22) freiliegen.
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Mit dieser Anordnung kann ein früher Verschleiß vermieden werden, da die Fasern (F) auf der Oberfläche der Gewindenut (22) von Beginn an freiliegen, und eine hohe Abmessungsgenauigkeit kann über eine verlängerte Zeitspanne aufrechterhalten werden.
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Vorzugweise kann die Kunststoffmutter für eine Kugelgewindespindel der vorliegenden Erfindung darüber hinaus eine Ausrichtungsschicht (II) umfassen, die Fasern (F) enthält, die sich entlang einer Oberfläche der Gewindenut (22) erstrecken, wobei die Gewindenut (22) geschliffen wird, bis die Ausrichtungsschicht (II) freiliegt.
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Mit dieser Anordnung kann ein früher Verschleiß vermieden werden, da die Gewindenut geschliffen wird, bis die Ausrichtungsschicht (II), die Fasern (F) enthält, erreicht ist, und eine hohe Abmessungsgenauigkeit kann über eine verlängerte Zeitspanne hinweg aufrecht erhalten werden.
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Vorzugsweise kann die Kunststoffmutter für eine Kugelgewindespindel der vorliegenden Erfindung des Weiteren eine Kernschicht (III) umfassen, die Fasern (F) enthält, die nicht ausgerichtet sind, wobei die Gewindenut (22) geschliffen wird, bis die Kernschicht (III) freiliegt.
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Mit dieser Anordnung kann ein früher Verschleiß noch weitergehender vermieden werden, da die Gewindenut geschliffen wird, bis die Kernschicht (III), die nichtausgerichtete Fasern (F) enthält, erreicht ist, und eine hohe Abmessungsgenauigkeit kann über eine verlängerte Zeitspanne hinweg aufrechterhalten werden.
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Die vorliegende Erfindung sieht des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen einer Kunststoffmutter für eine Kugelgewindespindel vor, die Matrixkunststoff (M) und darin eingemischte Verstärkungsfasern (F) enthält, mit: einem ersten Schritt, in welchem eine Mutter (20) spritzgegossen wird, die eine Gewindebohrung (24) definiert, die eine Vorschlichtungsschraubgewindenut aufweist, die unter Verwendung einer Gießgarnitur aus Metall gemäß Vorschlichtungsangaben konfiguriert und dimensioniert wird; und einem zweiten Schritt, in dem die Schraubgewindenut (22) gemäß Endangaben geschlichtet wird, indem die Vorschlichtungsschraubgewindenut geschliffen wird, bis die Fasern (F) einer Oberfläche der Schraubgewindenut ausgesetzt sind.
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Mit dieser Anordnung kann ein früher Verschleiß vermieden werden, da die Vorschlichtungsschraubgewindenut geschliffen wird, bis die Fasern (F) auf der Oberfläche der Schraubgewindenut (22) freiliegen, und eine hohe Abmessungsgenauigkeit kann über eine verlängerte Zeitspanne hinweg aufrechterhalten werden.
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Vorzugsweise wird in diesem Verfahren zum Herstellen einer Kunststoffmutter für eine Kugelgewindespindel unmittelbar nach dem ersten Schritt die Mutter so konfiguriert, dass sie eine Außenhautschicht (I) aufweist, welche eine äußerste Schicht definiert und frei von Fasern (F) ist, eine Ausrichtungsschicht (II), die sich weiter einwärts als die Außenhautschicht (I) befindet und Fasern (F) enthält, die entlang einer Oberfläche der Außenhautschicht ausgerichtet sind, und eine Kernschicht (III), die sich weiter einwärts als die Ausrichtungsschicht (II) befindet und nichtausgerichtete Fasern (F) enthält; und wobei der zweite Schritt einen Schritt des Schleifens zum Entfernen wenigstens der Außenhautschicht (I) umfasst.
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Mit dieser Anordnung liegen die Fasern (F) vom Beginn der Verwendung an frei auf der Oberfläche der Gewindenut (22), da die Außenhautschicht (I) in dem zweiten Schritt entfernt wird, so dass ein früher Verschleiß vermieden und eine hohe Abmessungsgenauigkeit über eine verlängerte Zeitspanne hinweg aufrecht erhalten werden kann.
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Vorzugweise umfasst in diesem Verfahren zum Herstellen einer Kunststoffmutter für eine Kugelgewindespindel der zweite Schritt einen Schritt des Schleifens zum Entfernen der Ausrichtungsschicht (II).
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Mit dieser Anordnung kann die Verringerung der Abriebfestigkeit wegen des Lösens der Fasern (F) in der Ausrichtungsschicht (II) vermieden werden, da die Ausrichtungsschicht (II), die eine große Zahl vom ausgerichteten Fasern enthält, vom Beginn der Verwendung an im Wesentlichen nicht vorhanden ist.
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Vorzugsweise umfasst der zweite Schritt in diesem Verfahren zum Herstellen einer Kunststoffmutter für eine Kugelgewindespindel einen Schritt des Schleifens, der eine Quantität (G) von Material entfernt, die geeignet ist, die Kernschicht (III) auf der Oberfläche der Gewindenut freizulegen.
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Gemäß dieser Anordnung kann ein früher Verschleiß noch weitergehend vermieden werden, da die Kernschicht (III) auf der Oberfläche der Gewindenut (22) von Beginn der Verwendung an freiliegt, und eine hohe Abmessungsgenauigkeit kann über eine verlängerte Zeitspanne aufrechterhalten werden.
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Wirkung der Erfindung
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Gemäß der Kunststoffmutter für eine Kugelgewindespindel und dem Verfahren zum Herstellen derselben gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein früher Verschleiß vermieden werden, da die Schraubgewindenut geschliffen wird, bis die Fasern in dem Matrixkunststoff auf der Oberfläche der Schraubgewindenut freiliegen, und eine hohe Abmessungsgenauigkeit kann über eine verlängerte Zeitspanne hinweg aufrecht erhalten werden.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist eine perspektivische Ansicht, die eine Mutter für eine Kugelgewindespindel gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
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2 ist eine Schnittansicht der Kugelgewindespindel;
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3A ist ein Schaubild, welches die innere Struktur des Gewindenutbereiches der Kunststoffmutter für eine Kugelgewindespindel vor dem Schleifvorgang in der dargestellten Ausführungsform zeigt, und 3B ist ein Schaubild, welches die innere Struktur des Gewindenutbereiches der Kunststoffmutter für eine Kugelgewindespindel nach dem Schleifvorgang in der dargestellten Ausführungsform zeigt;
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4A ist eine mikroskopische Fotografie der Oberfläche des Gewindenutbereichs der Kunststoffmutter für eine Kugelgewindespindel vor dem Schritt des Schleifens in der dargestellten Ausführungsform, 4B ist eine mikroskopische Fotografie der Oberfläche des Gewindenutbereiches der Kunststoffmutter für eine Kugelgewindespindel in der dargestellten Ausführungsform, nachdem die Außenhautschicht entfernt wird, und 4C ist eine mikroskopische Fotografie der Oberfläche des Gewindenutbereichs der Kunststoffmutter für eine Kugelgewindespindel, nachdem die Ausrichtungsschicht entfernt wird, in der dargestellten Ausführungsform;
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5 ist eine Schnittansicht eines Kugellagers, welches als eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angegeben ist; und
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6 ist eine Schnittansicht einer Gleitlagerbuchse, die als eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung angegeben ist.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en)
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Eine Ausführungsform der Kugelgewindespindel, in welcher die Kunststoffmutter verwendet wird, wird nachfolgend mit Bezugnahme auf die Zeichnungen 1 bis 4 beschrieben.
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Wie in 1 und 2 zu sehen ist, besitzt eine Kugelgewindespindel 1 einen Spindelschaft 10 mit einer auf seiner äußeren Mantelfläche gebildeten männlichen Spindelschaftnut 12, eine Mutter (Kunststoffmutter für eine Kugelgewindespindel) 20, die eine Gewindebohrung 24 definiert, welche eine auf ihrer inneren Mantelfläche gebildete weibliche Schraubgewindenut 22 aufweist, und ein Paar von Enddeflektoren 30A und 30B, die an den beiden Längsenden der Mutter 20 angebracht sind. Der Spindelschaft 10 ist aus gewalztem rostfreien Stahl hergestellt, die Mutter 20 ist aus spritzgegossenem faserverstärkten Kunststoff hergestellt und die Enddeflektoren 30A und 30B sind aus spritzgegossenem hochpolymeren Kunststoff wie zum Beispiel POM (Polyacetalharz) und PPS (Polyphenylensulfidharz) hergestellt.
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Jeder der Enddeflektoren 30A, 30B ist in eine Vertiefung 28 eingepasst, die in dem entsprechenden Längsende der Mutter 20 ausgebildet ist, und ist darin unter Verwendung eines Enddeflektorbefestigungselementes 40 sicher befestigt. Jedes Enddeflektorbefestigungselement 40 besteht aus einer aus Federstahldraht hergestellten Spule mit etwas weniger als einer Windung und wird gemeinsam von der männlichen Gewindenut 12, der weiblichen Gewindenut 22 und einer Eingriffsnut 34 in Eingriff gebracht, die in dem entsprechenden Enddeflektor 30A, 30B in glatter Fortsetzung mit der weiblichen Gewindenut 22 gebildet ist, so dass der Enddeflektor 30 fest an der Mutter 20 gehalten wird.
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Der Spindelschaft 10 ist längs durch die Gewindebohrung 24 geführt und eine Kugelrollbahn 14 ist zwischen dem Spindelschaft 10 und der Gewindebohrung 24 definiert. Die männliche Gewindenut 12 und die weibliche Gewindenut 22 sind jeweils mit einer Konfiguration eines gotischen Bogens versehen, die ein Paar aus identischen Bögen in einem symmetrischen Muster in der dargestellten Ausführungsform kombiniert. Mehrere Kugeln (Stahlkugeln) 16, die typischerweise aus rostfreiem Stahl hergestellt sind, sind in die Kugelrollbahn 14 und ein Paar aus Kugelrücklaufbahnen 26 und 32, die in der Mutter 20 und den Enddeflektoren 30 jeweils ausgebildet sind, gefüllt für eine freie Rollbewegung.
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Die in der Mutter 20 ausgebildete Kugelrücklaufbahn 26 erstreckt sich längs parallel zu der Gewindebohrung 24 auf einer Radialseite der Gewindebohrung 24 und kommuniziert an jedem Längsende mit der Kugelrücklaufbahn 32, die in dem entsprechenden Enddeflektor 30 in einer Hakenform ausgebildet ist. Wie in 2 zu sehen ist, wenn sich zum Beispiel die Kugeln 16 von links nach rechts in der Kugelrücklaufbahn 32 bewegen, nimmt einer der Enddeflektoren 30A die Bälle 16 von der Kugelrollbahn 14 in die entsprechende Kugelrücklaufbahn 32 auf, während der andere Enddeflektor 30B die Kugeln 16 aus der entsprechenden Kugelrücklaufbahn 32 an die Kugelrollbahn 14 zurückgibt. Als Ergebnis, wenn der Spindelschaft 10 über die Kugeln 16 in die Mutter 20 geschraubt wird, wird die Drehung des Gewindeschaftes 10 in die lineare Längsbewegung der Mutter 20 umgewandelt, während die Kugeln 16 in der Mutter 20 zirkulieren.
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Das Material und das Herstellungsverfahren der Mutter 20 und die Oberflächenbeschaffenheit der weiblichen Gewindenut 22 werden nachfolgend besprochen.
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Der Matrixkunststoff für den faserverstärkten Kunststoff, aus dem die Mutter 20 hergestellt ist, kann aus Superkonstruktionsplastik wie zum Beispiel PPS (Polyphenylsulfidharz) bestehen. Die Fasern, die für die Verstärkungsfasern verwendet werden können, können aus kurzen Fasern mit einem Durchmesser von 0,1 μm bis 5,0 μm und einer Länge von 1 μm bis 100 μm bestehen. Die Fasern können aus Glasfasern, Kohle- oder Grafitfasern, Polyamidfasern, Borfasern, Aramidfasern, Siliziumkarbid-Whiskern, Siliziumnitrid-Whiskern, Zinkoxid-Whiskern, Titanborid-Whiskern, Metallfasern, Siliziumfasern und Titanoxidfasern bestehen.
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Der Herstellungsprozess der Mutter 20 kann einen ersten Schritt umfassen, in welchem die gesamte Mutter 20 in einer Gießgarnitur spritzgegossen wird unter Verwendung von faserverstärktem Kunststoff, der Matrixkunststoff und darin eingemischte Fasern enthält, als das Kunststoffmaterial für den Spritzgussprozess, so dass die Mutter 20 mit einer Vorschlichtungsgewindenut versehen werden kann, die gemäß vorgeschriebener Vorschlichtungsangaben konfiguriert und dimensioniert ist, und die später als die endgültige Gewindenut 22 vollendet werden kann. Der Herstellungsprozess kann des Weiteren einen zweiten Schritt umfassen, in welchem die Vorschlichtungsgewindenut gemäß Angaben der endgültigen weiblichen Gewindenut 22 unter Verwendung einer Schraubenschleifmaschine vollendet wird, bis die Fasern des faserverstärkten Kunststoffs auf der Oberfläche der Gewindenut freiliegen, nach dem Spritzguss-(Härtungs-)Prozess.
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Die durch das Spritzgussverfahren erzeugte Vorschlichtungsgewindenut wird mit derselben Phase und derselben Gewindesteigung wie die endgültige weibliche Gewindenut 22 und derselben Konfiguration wie die endgültige weibliche Gewindenut 22 oder der Konfiguration des gotischen Bogens versehen, ist jedoch um eine Wegnahmemenge weniger tief als die endgültige weibliche Gewindenut 22 G (siehe 3A), wobei die Wegnahmemenge G in dem zweiten Schritt abgeschliffen werden soll. In anderen Worten hat die Vorschlichtungsgewindenut einen kleineren Nutquerschnitt als die endgültige Gewindenut 22 entsprechend der Wegnahmemenge G des Materials, das weggeschliffen werden soll.
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Da die endgültige weibliche Gewindenut 22 und die Vorschlichtungsgewindenut dieselbe Konfiguration besitzen, ist die Wegnahmemenge G, die weggeschliffen werden soll, über die gesamte Gewindenut hinweg einheitlich, so dass die gesamte Oberfläche der Gewindenut in dem ersten Schleifdurchgang geschliffen wird, und die Menge an Material, das weggeschliffen wird (das entfernt wird) ist beträchtlich groß aus dem ersten Schleifgang. Deshalb kann die Schleifarbeit auf effiziente Weise durchgeführt werden. Die Vorschlichtungsgewindenut kann mit einer hohen Präzision gegossen werden, die ausreichen sollte, um die Gewindenut, so wie sie ist, als eine normale Gewindenut verwenden zu können, die im Hinblick auf Konfiguration und Abmessungen eine annehmbar hohe Präzision besitzt. Die Schleifarbeit in dem Vollendungsprozess kann deshalb mit einer Mindestmenge an Materialentfernung in einer kurzen Zeitdauer durchgeführt werden.
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3A zeigt schematisch die innere Struktur des Gewindenutbereichs der Mutter 20 (Muttermaterial) unmittelbar vor dem ersten Schritt der Schleifarbeit und 3B zeigt schematisch die innere Struktur des Gewindenutbereichs der Mutter 20 nach Abschluss der Schleifarbeit. In den Zeichnungen 3A und 3B bezeichnet der Buchstabe M Matrixkunststoff, der Buchstabe F bezeichnet Fasern und der Buchstabe B bezeichnet Leerräume. In 3A bezeichnet das Bezugszeichen 23 die Vorschlichtungsgewindenut.
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Nach dem Spritzgussverfahren und vor der Schleifarbeit sind die Fasern F, wie in 3A zu sehen ist, in der äußersten Schicht der Mutter 20 nicht vorhanden. Genauer weist die Mutter 20 eine Außenhautschicht I auf, die ausschließlich aus Matrixkunststoff M besteht, eine Ausrichtungsschicht II, die sich weiter einwärts als die Außenhautschicht befindet und Fasern enthält, die zum Großteil entlang der Oberfläche der Außenhautschicht I ausgerichtet sind, und eine Kernschicht III, die sich weiter einwärts als die Ausrichtungsschicht II befindet und Fasern enthält, die zum Großteil nicht ausgerichtet sind. In Wirklichkeit gibt es möglicherweise keine klaren Grenzen zwischen den verschiedenen Schichten und die Außenhautschicht I kann graduell in die Ausrichtungsschicht II übergehen und die Ausrichtungsschicht II kann graduell in die Kernschicht III übergehen.
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In dem zweiten Schritt wird die weibliche Vorschlichtungsgewindenut 23 (die als die weibliche Gewindenut 22 vollendet werden soll) geschliffen, so dass von ihr wenigstens die Außenhautschicht I entfernt wird, bis die Fasern F in dem Matrixkunststoff M auf der Oberfläche der weiblichen Gewindenut 22 freiliegen. Vorzugsweise wird die Ausrichtungsschicht II um eine bestimmte Wegnahmemenge G entfernt, bis die Kernschicht III auf der Oberfläche der weiblichen Gewindenut 22 durch diesen Schleifprozess freiliegt. Dieser Schleifprozess bewirkt, dass die weibliche Gewindenut 22 die vorgeschriebene endgültige Tiefe annimmt. Da die Außenhautschicht II ungefähr 1 μm bis 2 μm dick ist und die Ausrichtungsschicht II ungefähr 50 μm bis 100 μm dick ist, kann die Wegnahmemenge G 0,2 mm oder weniger betragen.
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Vorzugsweise wird die Wegnahmemenge G als eine Mindestmenge gewählt, die erforderlich ist, um die Kernschicht III auf der Oberfläche der weiblichen Gewindenut 22 freizulegen, so dass die Leerräume B nicht auf der Oberfläche der weiblichen Gewindenut 22 freigelegt werden müssen und die für die Schleifarbeit benötigte Zeit minimiert werden kann.
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Die Außenhautschicht I und die Ausrichtungsschicht II werden somit entfernt und die Kernschicht II wird abgeschliffen, aber nur so weit, dass die Leerräume B, die es in der Kernschicht III geben kann, nicht auf der Oberfläche der weiblichen Gewindenut 22 freigelegt werden. Für die weibliche Gewindenute 22 ist dies bedeutsam, damit sie einen hohen Grad an Abriebfestigkeit erreichen kann.
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Durch das Ausführen der Schleifarbeit bis die Kernschicht III über die Ausrichtungsschicht II hinaus erreicht wird, werden denjenigen Fasern, die sich in dem Teil des Materials der Mutter 20 befinden, welches entfernt werden soll (entsprechend der Wegnahmemenge G), und die in der Tiefenrichtung ausgerichtet sind (oder von den Fasern F, die sich neben der Ausrichtungsschicht II befinden), Längsendabschnitte weggenommen, so dass die Endoberflächen solcher Fasern fluchtend auf der Oberfläche der weiblichen Gewindenut 22 freigelegt werden.
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Die Zeichnungen 4A bis 4C sind mikroskopische Fotografien, die den Gewindespindelbereich der Mutter 20 zeigen. 4A zeigt die Oberfläche der Gewindenut vor der Schleifarbeit. 4B zeigt die Oberfläche der Gewindenut, nachdem die Außenhautschicht entfernt worden ist, und 4C zeigt die Oberfläche der Gewindenut, nachdem die Ausrichtungsschicht entfernt worden ist.
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In 4A sind auf der Oberfläche der Gewindenut keine Fasern zu beobachten. In 4B ist die Ausrichtungsschicht II auf der Oberfläche der Gewindenut freigelegt und die vielen weißen Striche, die auf der Gewindespindeloberfläche sichtbar sind, zeigen das Vorhandensein von Fasern F1 an, die sich entlang der Oberfläche der Gewindenut erstrecken. In 4C ist die Kernschicht III auf der Oberfläche der Gewindenut freigelegt und die Gegenwart von Fasern F1, die sich entlang der Oberfläche der Gewindenut erstrecken, ist kaum zu sehen, aber die geschliffenen Endoberflächen der Fasern F2, die auf der Oberfläche der Gewindenut freiliegen, sind in einer großen Zahl zu sehen.
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Wenn die Außenhautschicht I, die ausschließlich aus dem Matrixkunststoff besteht, aufgrund der Ausführung des zweiten Schritts auf der Oberfläche der weiblichen Gewindenut vom Anfang der Verwendung an fehlt, kann ein früher Verschleiß der weiblichen Gewindenut vermieden werden. Wenn die Ausrichtungsschicht II, die eine große Zahl von ausgerichteten Fasern F1 enthält, auf der Oberfläche der Gewindenut vom Beginn der Verwendung an im Wesentlichen nicht vorhanden ist, kann die Verringerung der Abriebfestigkeit aufgrund des Lösens der Fasern F in der Ausrichtungsschicht II vermieden werden und die Abriebfestigkeit der Gewindenut 22 kann verbessert werden. Wenn die Längsendabschnitte der Fasern F, die in der Kernschicht III vorhanden sind, durch Schleifen entfernt werden und die Endoberflächen dieser Endabschnitte fluchtend auf der Oberfläche der weiblichen Gewindenut in großer Zahl freigelegt werden, können des Weiteren solche Fasern als in den Matrixkunststoff M getriebene feste Pfähle wirken, so dass die Abriebfestigkeit der weiblichen Gewindenut weiter gesteigert werden kann aufgrund der großen Abriebfestigkeit der Fasern F. Aufgrund der Reduzierung oder der Nichtexistenz des Lösens der Fasern kann eine Beeinträchtigung der Rollbewegung der Kugeln 16 in der Kugelrollbahn 14 durch gelöste Fasern vermieden werden.
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In dem so die Außenhautschicht I oder sowohl die Außenhautschicht I als auch die Ausrichtungsschicht II geschliffen und entfernt werden, indem die Oberfläche der Gewindenut geschliffen wird, bis die Kernschicht III erreicht wird, oder indem die Längsendabschnitte der Fasern F, die in der Längsrichtung in der Kernschicht III ausgerichtet sind, geschliffen und entfernt werden, bis die Endoberflächen dieser Endabschnitte fluchtend auf der Oberfläche der weiblichen Gewindenut freiliegen, kann die Abriebfestigkeit der weiblichen Gewindenut 22 in entsprechend hohem Maße verbessert werden. Jede beliebige dieser vier Stufen von Schleifarbeit kann in Abhängigkeit von dem Erfordernis der Abriebfestigkeit der weiblichen Gewindenut 22 gewählt werden.
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Die vorliegende Erfindung wurde anhand einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben, ist jedoch nicht durch diese Ausführungsform beschränkt und kann auf verschiedene Weisen verändert werden, ohne von dem Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Zum Beispiel kann das Zirkulieren der Kugeln nicht nur durch Verwendung der Enddeflektoren erreicht werden, sondern auch durch die Verwendung von Röhren, andere Arten von Deflektoren und Endkappen. Die Konfiguration der Spindelgewindenut ist nicht durch die Konfiguration des gotischen Bogens beschränkt, sondern kann auch eine kreisförmige, elliptische oder V-Konfiguration sein.
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Die in der oben erwähnten Ausführungsform enthaltenen Komponenten sind für die Realisierung der vorliegenden Erfindung nicht in der Ganzheit wesentlich, sondern können teilweise ersetzt und weggelassen werden, ohne von dem Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf eine Kunststoffmutter für eine Kugelgewindespindel beschränkt, sondern kann auch auf andere faserverstärkte Kunststoffteile angewandt werden, die eine rollende oder eine gleitende Oberfläche besitzen, wie zum Beispiel Kugelgewindespindelschäfte, Gleitgewindespindelschäfte, lineare Führungen mit rollenden Kugeln, Gleiter mit Führungsrillen für rollende Kugeln, äußere und innere Laufbahnen von Roller- und Kugellagern und Buchsen für Gleitlager.
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5 zeigt ein Kugellager 50, das als eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gegeben wird. Das Kugellager 50 umfasst einen äußeren Laufring 54 mit einer Kugelrollnut 52, die durch eine bogenförmige untere Oberfläche auf ihrem inneren Umfang definiert ist, einen inneren Laufring 58 mit einer Kugelrollnut 56, die durch eine bogenförmige untere Oberfläche auf ihrem äußeren Umfang definiert ist, und mehrere Stahl- oder Keramikkugeln 60, die in rollendem Eingriff zwischen der Kugelrollnut 52 des äußeren Laufrings 54 und der Kugelrollnut 56 des inneren Laufrings 58 in einer gegenseitig konzentrischen Anordnung positioniert sind.
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Der äußere Laufring 54 und der innere Laufring 58 sind aus spritzgegossenem faserverstärktem Kunststoff hergestellt. Der Matrixkunststoff für den faserverstärkten Kunststoff, der den äußeren Laufring 54 und den inneren Laufring 58 bildet, kann aus Superkonstruktionskunststoff wie zum Beispiel PPS (Polyphenylsulfidharz) bestehen. Die Fasern, die für die Verstärkungsfasern verwendet werden können, können aus kurzen Fasern mit einem Durchmesser von 0,1 μm bis 5,0 μm und einer Länge von 1 μm bis 100 μm bestehen. Die Fasern können aus Glasfasern, Kohle- oder Grafitfasern, Polyamidfasern, Borfasern, Aramidfasern, Siliziumkarbid-Whiskern, Siliziumnitrid-Whiskern, Zinkoxid-Whiskern, Titanborid-Whiskern, Metallfasern, Siliziumfasern und Titanoxidfasern bestehen.
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Das Herstellungsverfahren des äußeren Laufrings 54 und des inneren Laufrings 58 kann einen ersten Schritt umfassen, in welchem der äußere Laufring 54 und der innere Laufring 58 in Gießgarnituren spritzgegossen werden unter Verwendung von faserverstärktem Kunststoff, der Matrixkunststoff und darin eingemischte Fasern enthält, als das Kunststoffmaterial für das Spritzgussverfahren, so dass der äußere Laufring 54 und der innere Laufring 58 mit Vorschlichtungskugelrollnuten versehen werden können, die gemäß Vorschlichtungsangaben konfiguriert und dimensioniert sind, die später als endgültige Kugelrollnuten 52 beziehungsweise 56 vollendet werden können. Das Herstellungsverfahren kann des Weiteren einen zweiten Schritt umfassen, in welchem die Vorschlichtungskugelrollnuten gemäß den Angaben der endgültigen Kugelrollnuten 52 und 56 vollendet werden unter Verwendung einer Schleifmaschine, bis die Fasern des faserverstärkten Kunststoffs auf den Oberflächen der Kugelrollnuten freiliegen, nach dem Spritzguss – und eventuell Härtungsprozess.
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Nach dem Spritzgussprozess und vor der Schleifarbeit sind die Fasern F in dem äußeren Laufring 54 und dem inneren Laufring 58, ähnlich wie in der oben besprochenen Kunststoffmutter 20, in der äußersten Schicht nicht vorhanden. Genauer umfassen der äußere Laufring 54 und der innere Laufring 58 jeweils eine Außenhautschicht, die ausschließlich aus Matrixkunststoff besteht, eine Ausrichtungsschicht, die sich weiter einwärts als die Außenhautschicht befindet und Fasern enthält, die zum Großteil entlang der Oberfläche der Außenhautschicht I ausgerichtet sind, und eine Kernschicht, die sich weiter einwärts als die Ausrichtungsschicht befindet und Fasern enthält, die zum Großteil nicht ausgerichtet sind. In dem äußeren Laufring 54 und auch in dem inneren Laufring 58 existieren in Wirklichkeit nicht notwendigerweise klare Grenzen zwischen den verschiedenen Schichten und die Außenhautschicht kann graduell in die Ausrichtungsschicht übergehen und die Ausrichtungsschicht kann graduell in die Kernschicht übergehen.
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In dem zweiten Schritt werden die Vorschlichtungskugelrollnuten 52 und 56 (die als die endgültigen Kugelrollnuten 52 und 56 vollendet werden sollen) geschliffen, so dass von ihnen wenigstens die Außenhautschicht entfernt wird, bis die Fasern in dem Matrixkunststoff auf der Oberfläche der Kugelrollnuten 52 beziehungsweise 56 freiliegen. Vorzugsweise wird die Ausrichtungsschicht um eine bestimmte Wegnahmemenge entfernt, bis die Kernschicht auf der Oberfläche einer jeden Kugelrollnut 52, 56 durch diesen Schleifprozess freiliegt. Dieser Schleifprozess bewirkt, dass die Kugelrollnuten 52 und 56 ihre vorgeschriebene endgültige Tiefe annehmen. Vorzugsweise wird die Wegnahmemenge als eine Mindestmenge gewählt, die erforderlich ist, um die Kernschicht auf der Oberfläche der Kugelrollnuten 52 und 56 freizulegen, so dass die Leerräume nicht notwendigerweise auf der Oberfläche der Kugelrollnuten 52 und 56 freigelegt werden und die für die Schleifarbeit benötigte Zeit minimiert werden kann.
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Die Außenhautschicht und die Ausrichtungsschicht werden somit entfernt und die Kernschicht wird abgeschliffen, aber nur so weit, dass die Leerräume, die in der Kernschicht vorhanden sein können, nicht auf der Oberfläche der Kugelrollnuten 52 und 56 freigelegt werden. Dies ist bedeutsam, damit die Kugelrollnuten 52 und 56 einen hohen Grad an Abriebfestigkeit annehmen.
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Durch Ausführen der Schleifarbeit, bis die Kernschicht über die Ausrichtungsschicht hinaus erreicht ist, werden von den Fasern, die sich in dem zu entfernenden Teil des Materials befinden und in der Tiefenrichtung ausgerichtet sind (oder von den Fasern, die sich neben der Ausrichtungsschicht befinden), Längsendbereiche entfernt, so dass die Endoberflächen solcher Fasern fluchtend auf der Oberfläche der Kugelrollnuten 52 und 56 freiliegen.
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Wenn die Außenhautschicht, die allein aus dem Matrixkunststoff besteht, auf den Oberflächen der Kugelrollnuten 52 und 56 vom Beginn der Nutzung an aufgrund der Ausführung des zweiten Schritts fehlt, kann ein früher Verschleiß der Kugelrollnuten 52 und 56 vermieden werden. Wenn die Ausrichtungsschicht, die eine große Menge ausgerichteter Fasern enthält, auf der Oberfläche der Kugelrollnuten 52 und 56 vom Beginn der Nutzung an fehlt, kann die Verringerung in der Abriebfestigkeit wegen des Lösens der Fasern in der Ausrichtungsschicht vermieden werden und die Abriebfestigkeit der Kugelrollnuten 52 und 56 kann verbessert werden. Wenn die Längsendbereiche der Fasern, die in der Kernschicht vorhanden sind, durch Schleifen entfernt werden und die Endoberflächen dieser Endbereiche auf der Oberfläche der Kugelrollnuten 52 und 56 in großer Zahl fluchtend freigelegt werden, wirken solche Fasern zudem als in den Matrixkunststoff eingetriebene feste Pfähle, so dass aufgrund der hohen Abriebfestigkeit der Fasern die Abriebfestigkeit der Kugelrollnuten 52 und 56 noch weiter erhöht werden kann.
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Indem so die Außenhautschicht oder sowohl die Außenhautschicht als auch die Ausrichtungsschicht geschliffen und entfernt werden, indem die Oberfläche der Kugelrollnuten 52 und 56 geschliffen wird, bis die Kernschicht erreicht ist, oder indem die Längsendenabschnitte der in der Tiefenrichtung in der Kernschicht ausgerichteten Fasern geschliffen und entfernt werden, bis die Endoberflächen dieser Endabschnitte auf der Oberfläche der Kugelrollnuten 52 und 56 fluchtend freiliegen, kann die Abriebfestigkeit der Kugelrollnuten 52 und 56 in entsprechend hohem Maße verbessert werden. Jede beliebige dieser vier Stufen von Schleifarbeit kann in Abhängigkeit von dem Erfordernis der Abriebfestigkeit der Kugelrollnuten 52 und 56 ausgewählt werden.
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6 ist eine Schnittansicht einer Gleitlagerbuchse 70, die als eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gegeben wird. Der Matrixkunststoff für den faserverstärkten Kunststoff, aus dem die Gleitlagerbuchse 70 hergestellt ist, kann aus Superkonstruktionskunststoff wie zum Beispiel PPS (Polyphenylsulfidharz) bestehen. Die Fasern, die für die Verstärkungsfasern verwendet werden können, können aus kurzen Fasern mit einem Durchmesser von 0,1 μm bis 5,0 μm und einer Länge von 1 μm bis 100 μm bestehen. Die Fasern können aus Glasfasern, Kohle- oder Grafitfasern, Polyamidfasern, Borfasern, Aramidfasern, Siliziumkarbid-Whiskern, Siliziumnitrid-Whiskern, Zinkoxid-Whiskern, Titanborid-Whiskern, Metallfasern, Siliziumfasern und Titanoxidfasern bestehen.
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Der Herstellungsprozess der Gleitlagerbuchse 70 kann einen ersten Schritt umfassen, in dem die gesamte Gleitlagerbuchse 70 in einer Gießgarnitur spritzgegossen wird unter Verwendung von faserverstärktem Kunststoff, der Matrixkunststoff und darin eingemischte Fasern enthält, als das Kunststoffmaterial für den Spritzgussprozess, so dass die Gleitlagerbuchse 70 mit einer Vorschlichtungsbohrung versehen werden kann, die entsprechend vorgeschriebener Vorschlichtungsangaben konfiguriert und dimensioniert ist und später als endgültige Lagerbohrung 72 vollendet werden kann. Der Herstellungsprozess kann des Weiteren einen zweiten Schritt umfassen, in welchem die Vorschlichtungslagerbohrung entsprechend der Angaben der endgültigen Lagerbohrung 72 vollendet wird unter Verwendung einer Schleifmaschine, bis die Fasern des faserverstärkten Kunststoffs auf der Oberfläche der Lagerbohrung 72 freiliegen, nach dem Spritzguss- und/oder Härtungsprozess.
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Nach dem Spritzgussprozess und vor der Schleifarbeit sind die Fasern in der äußersten Schicht in der Gleitlagerbuchse 70, ähnlich wie in der oben besprochenen Kunststoffmutter 20, nicht vorhanden. Genauer besitzt die Gleitlagerbuchse 70 eine Außenhautschicht, die allein aus Matrixkunststoff besteht, eine Ausrichtungsschicht, die sich weiter einwärts als die Außenhautschicht befindet und Fasern enthält, die zum Großteil entlang der Oberfläche der Außenhautschicht ausgerichtet sind, und eine Kernschicht, die sich weiter einwärts als die Ausrichtungsschicht befindet und Fasern enthält, die zum Großteil nicht ausgerichtet sind. Auch in der Gleitlagerbuchse 70 gibt es in Wirklichkeit nicht notwendigerweise klare Grenzen zwischen den verschiedenen Schichten und die Außenhautschicht kann graduell in die Ausrichtungsschicht übergehen und die Ausrichtungsschicht kann graduell in die Kernschicht übergehen.
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In dem zweiten Schritt wird die Vorschlichtungsbohrung (die als die endgültige Lagerbohrung 72 vollendet werden soll) geschliffen, so dass von ihr wenigstens die Außenhautschicht entfernt wird, bis die Fasern in dem Matrixkunststoff auf der Oberfläche (innere Mantelfläche) der Lagerbohrung 72 freiliegen. Vorzugsweise wird von der Ausrichtungsschicht eine bestimmte Wegnahmemenge entfernt, bis die Kernschicht auf der Oberfläche der Lagerbohrung 72 durch diesen Schleifprozess freigelegt ist. Dieser Schleifprozess bewirkt, dass die Lagerbohrung 72 den vorgeschriebenen endgültigen inneren Durchmesser annimmt. Vorzugsweise wird die Wegnahmemenge als eine Mindestmenge gewählt, die erforderlich ist, um die Kernschicht auf der Oberfläche der Lagerbohrung 72 frei zu legen, so dass die Leerräume nicht notwendigerweise auf der Oberfläche der Lagerbohrung 72 freigelegt werden und die für die Schleifarbeit benötigte Zeit minimiert werden kann.
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Die Außenhautschicht und die Ausrichtungsschicht werden somit entfernt und die Kernschicht wird abgeschliffen, aber nur so weit, dass die Leerräume, die in der Kernschicht vorhanden sein können, nicht auf der Oberfläche der Lagerbohrung 72 freigelegt werden. Dies ist bedeutsam dafür, dass die Lagerbohrung 72 einen hohen Grad an Abriebfestigkeit annimmt.
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Durch das Ausführen der Schleifarbeit, bis die Kernschicht über die Ausrichtungsschicht hinaus erreicht ist, werden von denjenigen Fasern, die sich in dem zu entfernenden Teil des Materials befinden und in der Längsrichtung ausgerichtet sind (oder von den Fasern, die sich neben der Ausrichtungsschicht befinden), Längsendabschnitte weggenommen, so dass die Endoberflächen solcher Fasern fluchtend auf der Oberfläche der Lagerbohrung 72 freigelegt werden.
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Wenn die Außenhautschicht, die allein aus dem Matrixkunststoff besteht, auf der Oberfläche der Lagerbohrung 72 wegen der Ausführung des zweiten Schritts vom Beginn der Verwendung an fehlt, kann ein früher Verschleiß der Lagerbohrung 72 vermieden werden. Wenn die Ausrichtungsschicht, die eine große Zahl an ausgerichteten Fasern enthält, auf der Oberfläche der Lagerbohrung 72 vom Beginn der Verwendung an fehlt, kann die Verringerung in der Abriebfestigkeit aufgrund des Lösens von Fasern in der Ausrichtungsschicht vermieden werden und die Abriebfestigkeit der Lagerbohrung 72 kann verbessert werden. Wenn die Längsendabschnitte der Fasern, die in der Kernschicht vorhanden sind, durch Schleifen entfernt werden und die Endoberflächen dieser Endabschnitte fluchtend auf der Oberfläche der Lagerbohrung 72 in großer Zahl freigelegt werden, wirken solche Fasern des Weiteren als in den Matrixkunststoff getriebene feste Pfähle, so dass aufgrund der hohen Abriebfestigkeit der Fasern die Abriebfestigkeit der Lagerbohrung 72 noch weiter erhöht werden kann.
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Indem so die Außenhautschicht oder sowohl die Außenhautschicht als auch die Ausrichtungsschicht geschliffen und entfernt werden, indem die Oberfläche der Lagerbohrung 72 geschliffen wird, bis die Kernschicht erreicht ist, oder indem die Längsendabschnitte der Fasern geschliffen und entfernt werden, die in der Tiefenrichtung in der Kernschicht ausgerichtet sind, bis die Endoberflächen dieser Endabschnitte fluchtend auf der Oberfläche der Lagerbohrung 72 freiliegen, kann die Abriebfestigkeit der Lagerbohrung 72 in entsprechend hohem Maße verbessert werden. Jede beliebige dieser vier Stufen der Schleifarbeit kann in Abhängigkeit von dem Anspruch an die Abriebfestigkeit der Lagerbohrung 72 gewählt werden.
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Wenngleich die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen beschrieben worden ist, erkennt der Fachmann, dass verschiedene Änderungen möglich sind, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die in der oben erwähnten Ausführungsform enthaltenen Komponenten sind für die Ausführung der vorliegenden Erfindung nicht unabdingbar, sondern können teilweise ersetzt und weggelassen werden, ohne vom Geist der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Der Inhalt der ursprünglichen japanischen Patentanmeldung (
JP 2013-24877 eingereicht am 12. Februar 2013), deren Priorität nach der Pariser Verbandsübereinkunft für die vorliegende Anmeldung beansprucht wird, wird in dieser Anmeldung durch Bezugnahme eingeschlossen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kugelgewindespindel
- 10
- Spindelschaft
- 12
- männliche Spindelgewindenut
- 14
- Kugelrollbahn
- 16
- Kugel
- 20
- Mutter (Kunststoffmutter für eine Kugelgewindespindel)
- 22
- weibliche Spindelgewindenut
- 24
- Gewindebohrung
- 26
- Kugelrücklaufbahn
- 30
- Enddeflektor
- 32
- Kugelrücklaufbahn
- 50
- Kugellager
- 52
- Kugelrollnut
- 54
- äußerer Laufring
- 56
- Kugelrollnut
- 58
- innerer Laufring
- 70
- Gleitlagerbuchse
- 72
- Lagerbohrung
- I
- Außenhautschicht
- II
- Ausrichtungsschicht
- III
- Kernschicht
- B
- Leerraum
- F
- Faser
- G
- Wegnahmemenge
- M
- Matrixkunststoff
