DE1904666A1

DE1904666A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Kugelspur fuer ein Kugellager

Info

Publication number: DE1904666A1
Application number: DE19691904666
Authority: DE
Inventors: Di Ponio John I
Original assignee: Ford Werke GmbH
Current assignee: Ford Werke GmbH
Priority date: 1968-02-02
Filing date: 1969-01-31
Publication date: 1969-08-28
Also published as: GB1191619A; US3528271A

Description

Patentanwalt

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Hohenstaufenstr.2, Tel.338111 München, den ~

Mein Zeichen: FK-2423

Ford-Werke Aktiengesellschaft

Köln-Deutz Ottoplatz 2

"Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer Kugelspur für ein Kugellager"

Für diese Anmeldung wird die Priorität der Anmeldung Se.No. 702 682 vom 2. Februar 1968 in den Vereinigten Staaten von Nordamerika in Anspruch genommen.

Kurzbeschreibung

Die Erfindung besteht in einem Verfahren und einer Einrichtung zum Kalt-Walzen einer Kugelspur für ein Kugellager. Die Spur wird aus einem Werkstück in Stangen- oder Rohrform hergestellt und mit Rollwerkzeugen kalt gewalzt, die in das Werkstück unter Druck in gesteuertem Ausmass und unter gesteuerter Verweilzeit eingeführt werden, um die ringförmige Spur zu erzeugen, in welche die Kugeln nach dem Zusammensetzen des Lagers eingreifen. Nachstehend sind ausserdem die Eigenschaften des Walzwerkzeuges beschrieben, die notwendig sind, um die einzelnen Stufen des KaIt-

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walzverfahrens durchzuführen.

Hauptbeschreibung

Dk Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Formung einer Spur für ein Kugellager durch Druck. Ausserdem bezieht sich die Erfindung auf Walzwerkzeuge mit speziellen geometrischen Eigenschaften, die bei dem Kaltwalz-Vorgang verwendet werden können.

Zur Herstellung von Kugellagern ist es bekannt, die beiden Ringspuren für die Kugeln mit üblichen Schneidwerkzeugen zu bearbeiten. Es ist hierbei eine Präzisionsbearbeitung notwendig, die verhältnismässig hohe Kosten verursacht. Ein Teil der Kosten entfällt auf die Hitzebehandlung nach der Bearbeitung zum Zwecke der Steigerung der Härte der Kugelspur auf einen Wert, der ausreichend hoch ist, damit das Lager eine angemessene Lebensdauer erhält. Im Falle eines Kraftfahrzeug-Rad-Lagers soll diese Härte z.B. 25 bis 32 Rockwell C betragen.

Die varliegende Erfindung besteht in einem Verfahren, durch welches die zeitraubende und kostspielige maschinelle Bearbeitung und Hitzebehandlung in Wegfall kommt. Zur Durchführung der Erfindung wird entweder voller oder rohrförmiger Werkstoff kreisförmigen Querschnittes benutzt, der in die erforderliche Länge geschnitten wird. Der Werkstoff wird zwischen zwei Walzwerkzeugen angeordnet, wobei sein Drehpunkt in einer Linie mit den Mittelpunkten des Walzwerkzeuges liegt. Die Werkzeuge sind drehbar um

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parallele Achsen gelagert und der Mittelabstand zwischen den Werkzeugen kann durch Ausübung eines Vorschubdruckes zugestellt werden. Die Werkzeuge erhalten eine solche Umfangsgeometrie, durch die es möglich wird, dass das Metall vom Umfang des Werkstückes aus einen gewünschten Fließverlauf nimmt, damit eine Lagernut präziser Abmessung erhalten wird. Fließt das Metall in dieser Weise, so härtet die Arbeit der Werkzeuge den Stahl und es wird eine Kornverteilung im Umfang des Werkstoffes erreicht, die zu einer optimalen Lebensdauer des Lagers beiträgt. Es wird ein verhältnismässig konstanter Walzdruck angewendet und die Verweil-Zeit nach der Einführung in die Werkzeuge wird gesteuert, um eine optimale Konzentrizität zu erreichen.

Die Kaltwalz-Veränderlichen werden so ausgewählt, dass minimale Toleranzen in der fertigen Lagerspur erreicht werden. Der Metallfluss bei dem Walzvorgang ist, wegen der vorausbestimmten Geometrie der Werkzeuge und des Werkstückes selbst derart, dass die wesentlichen Abmessungen des Werkstückes nicht von den vorausbestimmten Grenzen abweichen.

Die Bearbeitungshärtung, die während des Walzvorganges auftritt, macht eine Hitzebehandlung am Schluss unnötig, obgleich das Werkstück zur Entlastung von Spannungen aufgeheizt werden kann, die durch das Kaltbearbeiten hervorgerufen worden sind.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand

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der Zeichnungen näher erläutert, auf denen zeigen:

. 1 eine Ansicht eines Lagers mit der verbesserten, gewalzten inneren Lagerspur, die nach dem Walzverfahren der Erfindung hergestellt ist.

Fig. 2 einen Querschnitt nach Linie 2-2 der Fig. 1.

Fig. 3 eine teilweise geschnittene Seitenansicht von einem Stück rohrförmigen Werkstoffes zur Herstellung der inneren Lagerspur.

Flg. 4 ein aus dem Werkstoffteil nach Fig. 3 ausgeschnittenes Werkstück.

Fig. 5 eine schematische Darstellung von zwei Walzwerkzeugen, die an dem Werkstück nach Fig. ²J anliegen, wenn dieses drehbar ) um eine Achse angeordnet ist, die parallel zu den Achsen der Walzwerkzeuge verläuft.

Fig. 6 einen Querschnitt des Werkstückes nach Fig. 4 nach dem Walzen gesehen aus der Schnittebene der Linie 6-6 der Fig. 5.

Fig. 7 in Querrichtung die Querschnittsform eines Walzwerkzeuges zur Formung der Spur nach Fig. 6.

Fig. 8 eine Seitenansicht einer gewalzten Lagerspur für ein

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Kugellager nach Fig. 1.

Fig. 9 einen Querschnitt durch ein Walzwerkzeug, welches gemeinsam mit einem zweiten Walzwerkzeug die Laufspur nach Fig. 8 walzen kann, Die Fig. 9 zeigt im Querschnitt schematisch die Zusammenarbeit des Walzwerkzeuges mit dem Werkstück nach Fig. 4, um die Spur nach Fig. 8 zu verformen.

Fig. IO eine Tabelle, die die Wirkung der Kaltbearbeitung des stangenförmigen Stahls während des Walzvorganges erläutert. Die Zusammensetzung des Metalles selbst, die für die zur Herstellung ^n Lagerspuren verwendeten Metalle üblich ist, ist in Fig. 10 ebenfalls dargestellt.

Fig. HA eine Tabelle in Polarkoordinaten über die Abweichungen des Aussendurchmessers der inneren Lagerspur der Fig. 8 nach dem Walzvorgang;

Fig. HB eine ähnliche Tabelle vte die Fig. HA, die einen Unrundzustand erläutert, der erscheint, sofern keine sachgemässen Vorschubverhältnisse für das Walzwerkzeug benutzt werden»

Fig. 12 einen Längsschnitt durch ein Lagerspur-Werkstück zur Ausbildung einer Lagerspur nach Fig. 8.

Fig. 13 eine Mikrofotografie einer abgeänderten tatsächliche» Kornstruktur im Querschnitt ähnlich demjenigen nach Fig. 6.

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In der Pig. 1 bezeichnet 10 die äussere Spur eines Kugellagers 12. Das Lager enthält eine innere Spur Ik mit einem hohl ausgebildeten Umfang 16. Die äussere Spur 10 enthält ebenfalls eine Nut 18, die der Nut 16 in der Spur 14 genau gegenüberliegt. Zwischen den Spuren 10 und 1*1 sitzt eine Anzahl Lagerkugeln 20, die am Umfang zueinander mittels eines Kugelkäfigs 22 gleichmassig verteilt gehalten werden. Die verbesserten Walzwerkzeuge und das hier beschriebene Verfahren beziehen sich auf die Herstellung der inneren Spur I¹I.

Zur Formung der inneren Spur 14 wird ein rohrförmiges Werkstoffstück verwendet, welches in der Fig. 3 dargestellt ist. Es ist innen hohl und besitzt einen inneren Durchmesser, wie er bei 26 angedeutet ist. Die Wandstärke des Rohres 2k kann so gewählt werden, dass die gewünschte Stärke der Lagerspur in dem Endprodukt erhalten wird. Das Material, aus dem der rohrförmige Werkstoff vorzugsweise besteht, ist Lager-Stahl wie z.B. SAE 52100-Stahl. Dieser besitzt die folgen Bestandteile:

Kohlenstoff 0,95 bis 1,0* Mangan MN 0,25 bis 0,45* Chrom CR 1,30 bis 1,602.

Das Rohr nach Fig. 3 wird in Einzelteile geschnitten, tfe sie in der Fig. 4 angegeben sind. Jedes Einzelteil bildet ein Werkstück 28. Vorzugsweise ist das Werkstück 28 abgeschrägt, wie bei 29 in der Fig. 12 dargestellt, obgleich unter gewissen Umständen

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die Abschrägung nicht erforderlieh ist. Die Aussenflache 32 nach Fig. 12 ist zylindrisch geformt, ebenso die innere Fläche 26.

Das Werkstück 28 nach Fig. 4 und 12 wird auf eine Welle aufgesetzt zwecks Drehung um eine Achse 30 nach Fig. 5. Die beiden Werkzeuge 32 und 34 sind, wie aus Fig. 5 erkennbar, mit den Achsen parallel zur Achse 30 angeordnet und von dieser entfernt.

Der Mittelabstand zwischen den Werkzeugen 32 und 34 wird zugestellt, wenn die Werkzeuge unter dem Einfluss von hydraulischem Druck aufeinander zubewegt werden. Die Werkzeuge können zu diesem Zweck in einer hydraulischen Presse sitzen. Der Vorschub gegen das Werkstück hat ein Verhältnis von etwa 0,6 mm/Umdrehungen, wenn die Werkzeuge sich mit einer Drehzahl von etwa 105 Umdrehungen/min, drehen. Die Werkzeuge selbst können aus einem hoch Kohlenstoff haltigen Stahl einer Härte von etwa 63 Rockwell C gefertigt sein. _:

Die Form des Umfanges der Werkzeuge ist am besten aus der Fig. 7 erkennbar, in der das Werkzeug 32 in Ansicht dargestellt ist. Die äussere Fläche 36 des Werkzeuges 32 ist zylindrisch. Der mittlere Teil besteht aus einem Wulstring kreisförmigen Querschnitts mit einem Radius R 2, wie er bei 38 dargestellt ist. An der Wurzel hat der Wulstring 38 einen Radius R₁, wie bei 40 dargestellt 1st. Sofern das Werkzeug zum Walzen einer Lagerspur verwendet wird, die dfcwa einen inneren Durchmesser von 4 cm besitzt, müsste der Radius R₁ unten am Wulst 40 etwa 3 bis 4,5 mm

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sein. Die radiale Stärke des Werkzeuges 32 ist ausreichend groß, dass eine Zerstörung des Werkzeuges in radialer Richtung während des Walzvorganges vermieden wird.

Wie in der Fig. 9 angegeben, verschiebt das Werkzeug bei seinem Vorschub gegen das Werkstück Metall aus der Mitte des Werkstükkes in beiden Axialrichtungen. Dies ergibt einen Fließverlauf, wie er in der Fig. 6 angegeben 1st, sowie in der mikrofotografischen Zeichnung der Fig. 13. Anfänglich tritt eine leichte Biegung des Werkstückes während des Walzvorganges auf, wenn die Werkzeuge in das Werkstück vorgeschoben werden. Die Mitte des Werkstückes neigt dazu, sich zu biegen oder radial nach innen zu deformieren und die Kanten des Werkstückes neigen dazu, sich axial nach aussen zu bewegen. Wenn aber die Werkzeuge ihre Vorschubbewegung in die Stellung nach Fig. 9 fortsetzen, so gleicht das aus dem mittleren Teil des Werkstückes verdrängte Metall die normale Tendenz des Werkstückes zur radialen Deformation aus. Gleichzeitig neigen die Kanten des Werkstückes, die sich wie bei 29 in Fig. 12 dargestellt, verändert haben, dazu, etwa in die Stellung nach Fig. 6 oder diejenige der Mikrofotografie sich zurückzubilden. Der innere Durchmesser behält an jeder axialen Stelle längs des Werkstückes auf diese Weise einen genauen Wert. Es besteht keine besondere Tendenz des Werkstückes, nach innen im Bereich der gewalzten Umfangsnut der fertigen inneren Spur eingedrückt zu werden.

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■ν

Beim Walzen einer inneren Spur aus 52100 Stahl und mit einem Durchmesser von etwa 4 cm wird empfohlen, einen Walzdruck von etwa 5500 bis 6000 Kilogramm anzuwenden.

Die Werkzeuge werden gegen das Werkstück vorgeschoben und beim Erreichen der vollen Walztiefe tritt eine Verweilzeit von etwa 1 oder 2 sek. auf, damit das Werkstück etwa 2 Umdrehungen ausführen kann. Hierdurch wird die Konzentrizität ausreichend festgelegt, sodass genaue Durchmesser-Toleranzen eingehalten werden können. Die Fig. HA erläutert eine zu prüfende Spur, die bei einem Werkstück erreicht wurde, welches mit einer Verweilzeit von etwa 2 sek. gewalzt wurde. Der Durchmesser an der Innenseite des Werkstückes betrug 4 cm und der Aussendurchmesser 5 cm. Jede radial ersetzte Bezugslinie in der Darstellung der Pig. HA stellt 0,005 mm dar. Durch dfe kreisförmige Gestaltung der Spur, welche mit der Darstellung der Fig. HA erreicht wird, ist ein hoher Grad an Konzentrizität dargestellt.

Im Gegensatz zu der Darstellung nach Fig. HA zeigt die Darstellung der Fig. HB eine Prüf spur für einen gewalzten Aussendurchmesser eines Werkstückes, welches einer einzigen Umdrehung ausgesetzt gewesen ist. Der Aussendurchmesser nahm eine doppelt elliptische Gestalt an, wobei sämtliche anderen Beiwerte die gleichen verblieben, wie diejenigen, die zur Herstellung der Darstellung nach Fig. HA benutzt wurden. Da das Metall vom Umfang des Werkstückes aus verdrängt wird, wird eine Kornstruktur

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erzielt, die ein hohes Ausmass an Bearbeitungshärtung ergibt. Die sich ergebende Härte des 52100 Stahles beträgt etwa 25 bis 32 Rockwell C. Eine Darstellung, die die Beziehungen zwischen der Härte, der Dehnungsfestigkeit, der Belastungsfähigkeit und des Aufwandes an Kaltbearbeitung zeigt, ist die Fig. 10. Es ist keine Hitzebehandlung nach dem Walzvorgang erforderlich, obgleich es in gewissen Fällen zweckmässig ist,-um-eine Spannung lösende Hitzebehandlung vorzusehen.

Sofern es bei einem besonderen Walzvorgang notwendig erscheinen sollte, kann das Werkstück mit einem vorgewalzten oder vorbearbeiteten äusseren Umfang im mittleren Bereich versehen werden, wodurch das Einstellen des Werkzeuges an die genaue Stelle des Werkstückes erleichtert wird. Es kann dieses als Vor-Walzverfahren auf einem besonderen Walzensatz ausgeführt werden. Der Zweck ist einfach der, die Axiallage der Haupt-Walzwerkzeuge während des Walzvorganges in eine bestimmte Stellung einzustellen. Sofern die Axiallage der Walzwerkzeuge durch genaue Messung Ihres Abstandes von der Seite des Werkstückes bestimmt werden kann, ist ein Vor-Walzen nicht erforderlich.

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Claims

- ii - Ansprüche

1. Verfahren zur Herstellung von Spurringen für Kugellager, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Walzwerkzeuge (32,3¹O von zylindrischer Gestalt an der Aussenflache (36) mit je einem Ringwulst (38) gekrümmten Querschnittes zur Achse (30) eines kreisrunden Werkstückes mit in einer Ebene liegenden Achsen und parallel zur Achse eines Werkstückes angeordnet werden, daß die Walzwerkzeuge (32,3¹J) gegen das Werkstück in gesteuertem Verhältnis vorgeschoben werden und dass die Walzwerkzeuge während zwei vollen Umdrehungen des Werkstückes in voller Walztiefe gehalten werden, wodurch der Ringwulst (38) am Umfang der Walzwerkzeuge Metall vom äusseren Umfang des Werkstückes verdrängt und eine geometrisch genau geformte Laufnut für die Kugeln des Kugellagers erzeugt und wobei das aus der Nut verdrängte Metall durch die Hohlkehlen (¹IO) an den Ringwulsten (38) in axialer Richtung verdrängt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Walzwerkzeuge (32,34) auf das Werkstück während des Vorschubes einen konstanten Walzdruck von etwa 5500 bis 6OOO kg ausüben.

3. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Walzen (32,3¹O zum Walzen einer inneren Kugellagerspur eine zylindrische Umfangsfläche (36) mit einem Ringwulst (38) gekrümmten Querschnitts besitzen, der über

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Hohlkehlen (4o) von etwa 3 bis 4,5 mm Radius in die zylindrische Umfangefläche (36) übergeht.

k., Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, 'dass der Ringwulst (38) am Umfang der Walzen (32,3¹O kreissförmigen Querschnitt hat'.

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