DE4137539A1 - Verfahren zum herstellen von spiralfoermigen rillen an einer konischen flaeche sowie vorrichtung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von spiralförmigen Rillen an einer konischen Fläche, insbesonde­ re an einer Lagerfläche eines konischen Spiralrillenlagers sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

In der Antriebstechnik finden Spiralrillenlager zur Ausbil­ dung hydrodynamischer Lager in zunehmendem Umfang Verwen­ dung. Um diese Technologie wirtschaftlich nutzen zu können, sind Techniken erforderlich, um die Spiralrillenmuster schnell und mit hoher Genauigkeit herstellen zu können.

Ein bekanntes Verfahren zum Herstellen der Spiralrillenmu­ ster besteht im photochemischen Ätzen der Muster. Dieses Verfahren ist zwar weit verbreitet, ist jedoch relativ zeit­ aufwendig und als Mehrstufenprozeß vergleichsweise kompli­ ziert. Die gleichen Nachteile ergeben sich bei dem eben­ falls bekannten Verfahren des Elektro-Polierens. Weitere bekannte Verfahren, die jedoch bei konischen Flächen nicht anwendbar sind, bestehen in der mechanischen spanabhebenden Bearbeitung nach Art des Gewindeschneidens oder des Räumens.

Der Erfindung liegt in erster Linie die Aufgabe zugrunde, ein vergleichsweise einfaches, kostengünstiges und schnel­ les Verfahren zum Herstellen von spiralförmigen Rillen an einer konischen Fläche zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß die spiralförmigen Rillen mittels eines Präge­ stempels in die konische Fläche eingeprägt werden, wobei während des Prägevorgangs der Prägestempel relativ zur koni­ schen Fläche sowohl in Richtung der Achse der konischen Fläche vorgeschoben als auch um diese Achse rotiert wird.

Die Vorschubbewegung und die Rotationsbewegung zwischen Prägestempel und konischer Fläche müssen in geeigneter Wei­ se aufeinander abgestimmt sein, um die gewünschte Rillen­ struktur zu erhalten. Hierzu kann für die Rotationsbewe­ gung ein motorischer Antrieb vorgesehen sein, der entspre­ chend der Vorschubbewegung gesteuert wird. Vorzugsweise erfolgt die Rotation zwischen Prägestempel und konischer Fläche jedoch ausschließlich durch die zwischen Prägestem­ pel und konischer Fläche aufgrund des achsialen Vorschubs wirkenden Antriebskräfte, was das Verfahren und die hierzu benötigte Vorrichtung erheblich vereinfacht, nachdem hier­ bei nur noch ein Antrieb und eine entsprechende Steuerung für die Vorschubbewegung vorgesehen werden müssen, ein ex­ terner Antrieb für die Rotationsbewegung und eine entspre­ chende Steuerung jedoch entfällt.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist eine Anzahl von Vortei­ len auf. Gegenüber anderen Herstellungsverfahren, beispiels­ weise dem überwiegend gebräuchlichen photochemischen Ätzen, kann die Taktzeit zur Herstellung eines Musters mindestens um den Faktor 10 reduziert werden, nachdem das erfindungsge­ mäße Verfahren einen einzigen und überdies sehr kurzen Her­ stellungsschritt erfordert, nämlich das Prägen.

Die Genauigkeit des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Spiralrillenmusters ergibt sich aus der Prä­ zision des Prägestempels; das Spiralrillenmuster kann daher mit hoher Präzision und hoher Reproduzierbarkeit herge­ stellt werden, die Tiefe der Rillen, die Form der Rillen und die Oberflächenqualität hängen somit nicht von Prozeß­ parametern wie beispielsweise Ätzzeit, Zusammensetzung der Ätzflüssigkeit o. dgl. ab.

Die Oberflächenschicht der Lagerfläche, welche das Abnut­ zungsverhalten eines hydrodynamischen Lagers definiert, wird durch das Prägen in keiner Weise beschädigt; es sind daher Lagerflächen von höchster Güte erreichbar. Die durch das Prägen bedingte Umformung erhöht den Verschleißwider­ stand der Lagerfläche.

Letztlich sind auch die Investitionskosten für die benötig­ ten Werkzeuge vergleichsweise niedrig, ebenso wie die Ko­ sten des Herstellungsverfahrens.

In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß zur Herstellung von spiralförmigen Rillen in Form eines Herringbone-Musters, bei dem die Rillen eines ersten Rillen­ musterabschnitts entgegengesetzt zu den Rillen eines zwei­ ten Rillenmusterabschnitts verlaufen, ein zweigeteilter Prägestempel verwendet wird, der den Rillenmusterabschnit­ ten entsprechende Prägeabschnitte aufweist, die relativ zueinander um die genannte Achse in entgegengesetzte Rich­ tungen rotierbar sind, und daß während des Prägevorgangs die Prägeabschnitte des Prägestempels in entgegengesetzten Richtungen aktiv oder passiv rotiert werden. Auch ist es möglich, unterschiedliche Prägeabschnitte des Prägestempels in gleicher Richtung, aber mit unterschiedlichen Geschwin­ digkeiten aktiv oder passiv rotieren zu lassen und/oder mehr als zwei benachbarte Rillenmusterabschnitte vorzuse­ hen, wobei während des Prägens die entsprechenden Prägeab­ schnitte des Prägestempels mit zumindest teilweise unter­ schiedlicher Geschwindigkeit/Richtung rotiert werden. Hier­ durch lassen sich Rillenmuster mit Abschnitten unterschied­ licher Neigung der Spiralrillen erzeugen.

In weiterer vorteilhafter Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem in den beiden konischen Lagerflächen eines Lagergehäuses, bei dem die konischen Lagerflächen eine gemeinsame Achse aufweisen und sich in entgegengesetz­ te Richtungen öffnen, spiralförmige Rillen hergestellt wer­ den sollen, ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Rillen in beiden Lagerflächen mittels zwei sich gegenüberliegend angeordneten Prägestempeln gleichzeitig geprägt werden. Eine hierzu geeignete Vorrichtung ist gekennzeichnet durch eine Basis, einen an der Basis befestigten, ersten Präge­ stempel, einen relativ zur Basis in Richtung der Achse be­ weglich antreibbaren Träger, und einen am Träger befestig­ ten zweiten Prägestempel, wobei die Achse des zweiten Präge­ stempels mit der Achse des ersten Prägestempels fluchtet.

Vorzugsweise ist einer der beiden Prägestempel in einer Ebene senkrecht zur Achse frei verschieblich gelagert, so daß sich die beiden Prägestempel relativ zum Lagergehäuse selbsttätig um eine gemeinsame Achse zentrieren können.

Das Merkmal der Selbstzentrierung kann jedoch auch im Falle eines einzigen Prägestempels mit Vorteil angewandt werden, falls der Stempel relativ zu der mit dem Spiralrillenmuster zu versehenen konischen Fläche in Richtung senkrecht zur Achse der konischen Fläche verschieblich gelagert ist.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den übrigen Unteransprüchen in Zusammenhang mit der nachfolgenden Beschreibung, in der mehrere Ausführungsbei­ spiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben werden. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines Prägestempels zur Durchfüh­ rung des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 eine teilweise geschnitte Seitenansicht eines Präge­ stempels ähnlich Fig. 1, jedoch mit zwei unabhängig vonein­ ander bewegbaren Prägeabschnitten mit jeweils unterschied­ lichem Spiralrillenmuster und

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht, teilweise geschnit­ ten, einer Vorrichtung zum gleichzeitigen Herstellen zweier Spiralrillenmuster an beiden konischen Lagerflächen eines Lagergehäuses.

Zum Herstellen eines Spiralrillenmusters an einer konischen Fläche, beispielsweise einer Lagerfläche eines konischen Spiralrillenlagers, findet ein Prägestempel Verwendung, wie er in Fig. 1 skizziert ist. Der insgesamt mit der Be­ zugsziffer 10 bezeichnete Prägestempel umfaßt einen sich konisch verjüngenden Prägeabschnitt 12, dessen Konizität mit der Konizität der zu bearbeitenden Lagerfläche überein­ stimmt. Der Prägeabschnitt 12 weist einen Rillenmusterab­ schnitt 14 auf, der in seiner Struktur der Struktur des zu erzeugenden Spiralrillenmusters entspricht, wobei das Muster auf dem Prägestempel die Negativform des auf der konischen Lagerfläche zu erzeugenden Spiralrillenmusters ist.

Zum Erzeugen des Spiralrillenmusters auf der nicht darge­ stellten konischen Fläche werden die konische Fläche und der Prägestempel 10 um die Achse 16 koachsial ausgerichtet und bei feststehender konischer Fläche wird der Prägestem­ pel 10 in Richtung des Pfeiles A unter gleichzeitiger Ro­ tation in Pfeilrichtung B mit dem Prägeabschnitt 12 auf die konische Fläche gepreßt, derart, daß das Muster des Rillenmusterabschnitts 14 in die konische Fläche eingeprägt wird. Selbstverständlich kann auch bei feststehendem Präge­ stempel 10 die konische Fläche unter gleichzeitiger achsia­ ler Drehung auf den Prägeabschnitt 12 des Prägestempels 10 aufgepreßt werden. Die achsiale Drehung kann, wie weiter oben beschrieben, passiv, also ohne zusätzliche äußere An­ triebsmittel ausschließlich aufgrund der zwischen Prägestem­ pel und konischer Fläche wirkenden achsialen Äntriebskräfte erfolgen. Es versteht sich, daß zur Halterung und Gegenlage­ rung des die konische Fläche aufweisenden Bauteils geeigne­ te Trag- und Gegendruckelemente vorgesehen sind, wie dies beim Prägen üblich ist.

Zwischen der zu bearbeitehden konischen Fläche und dem Prä­ geabschnitt 12 des Prägestempels 10 können geeignete Schmierstoffe eingebracht werden, um einen metallischen Kontakt zwischen Werkstück uhd Werkzeug zu vermeiden bzw. zu reduzieren, die auftretenden Reibkräfte herabzusetzen und ein Anhaften von Metallteilchen der Lagerfläche an dem Prägestempel zu vermeiden. Um die beim Prägen stattfindende Umformung des Lagerflächenmaterials zu erleichtern, kann dem umzuformenden Teil zusätzlich von außen Wärme zugeführt werden, wodurch die Fließspannung des umzuformenden Mate­ rials sinkt. Als Material für die umzuformende konische Fläche kommt beispielsweise Messing, Bronze, Aluminium, Silber oder Weichstahl in Frage.

Aufgrund der relativen Bewegung zwischen der zu prägenden konischen Fläche und dem Prägestempel, können beim Prägevor­ gang sehr kleine Grate an den Randbereichen der Rillen auf­ treten, welche jedoch leicht mittels eines Honwerkzeugs entfernt werden können.

Läßt man durch geeignete Maßnahmen eine Bewegung des Präge­ stempels 10 oder der zu prägenden konischen Fläche quer zur Achse 16 zu, so erhält man eine sich selbst zentrieren­ de Anordnung, wodurch sich eine äußerst genaue und gleichfö­ mige Ausbildung des Spiralrillenmusters über den gesamten Umfang und die gesamte axiale Länge der Lagerfläche ergibt. Ebenso ist eine hohe Reproduzierbarkeit des gewünschten Musters gewährleistet.

Als Material für den Prägestempel eignen sich beispielswei­ se gehärteter Stahl, Keramik oder harte Legierungen. Es versteht sich, daß die Fließspannung des Materials des Prä­ gestempels wesentlich höher sein sollte als die Fließspan­ nung des zu prägenden Materials. Das Muster des Rillenmu­ sterabschhitts 14 des Prägestempels 10 kann durch konventio­ nelle Methoden wie photochemisches Ätzen, Elektro-Polieren oder Einschleifen hergestellt sein. Die Oberflächenrauhheit des Prägestempels sollte zumindest zweimal kleiner sein als diejenige des zu prägenden Musters.

Beim Ausführungsbeispiel eines Prägestempels gemäß Fig. 2 weist der insgesamt mit der Bezugsziffer 20 bezeichnete Prägestempel einen Prägeabschnitt 22 auf, der zweigeteilt ist. Ein unterer Endabschnitt 24 ist gegenüber einem oberen Abschnitt 28 um die Achse 26 drehbar ausgebildet. Der obere Abschnitt 28 weist einen Rillenmusterabschnitt 30 auf, des­ sen spiralförmige Strukturen in der einen Drehrichtung ver­ laufen, während ein hierin angrenzender Rillenmusterab­ schnitt 31 des Endabschnitts 24 ein Spiralmuster aufweisen, dessen spiralförmige Strukturen in der anderen Drehrichtung verlaufen. Insgesamt entsteht hierdurch das aus Fig. 2 ersichtliche Fischgrätenmuster, auch Herringbone-Muster genannt. Beim Prägen der entsprechenden, nicht dargestell­ ten Lagerfläche wird der Endabschnitt 24 in entgegengesetz­ ter Richtung wie der Abschnitt 28 rotiert, wodurch das Her­ ringbone-Muster als Spiralrillenmuster auf der Lagerfläche eingeprägt wird.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist das zu behandeln­ de Werkstück ein Lagergehäuse 32, welches eine zylindrische Außenfläche 34 und an beiden achsialen Endbereichen je eine konische Lagerfläche 36, 38 aufweist, wobei die konischen Lagerflächen 36, 38 als Lagerflächen für hydrodynamische Lager ausgebildet werden sollen, also mit Spiralrillenstruk­ turen versehen werden sollen.

Die hierfür vorgesehene Prägevorrichtung ist in Fig. 3 schematisch skizziert und umfaßt eine Basisplatte 40, an der über ein Säulengestell 42 ein Träger 44 in Richtung einer Mittelachse 46 höhenverstellbar gelagert ist. An der unteren Basisplatte 40 ist koachsial zur Achse 46 ein er­ ster Prägestempel 48 befestigt. Ein weiterer Prägestempel 50 ist unter Zwischenschaltung eines Kugellagers 52 am Trä­ ger 44 befestigt. Über einen nicht dargestellten Antrieb kann der Träger 44 einschließlich des Prägestempels 50 ge­ steuert abgesenkt werden.

Aufgrund des Kugellagers 52 zwischen Prägestempel 50 und Träger 44 ist in gewissem Umfang eine Verschiebung des Prä­ gestempels 50 relativ zum Träger 44 in einer Ebene senk­ recht zur Achse 46 möglich, um einen eventuellen Achsver­ satz von Lagergehäuse und Prägestempel ausgleichen zu kön­ nen. Selbst bei anfänglich nicht ganz exakt koachsial ausge­ richteten Prägestempeln 48, 50 und Lagergehäuse 32 erfolgt beim Prägevorgang aufgrund der zusammenwirkenden konischen Flächen eine Selbstzentrierung des Systems Prägestempel 48/ Lagergehäuse 32/Prägestempel 50.

Um während des Prägens eine radiale Aufweitung des Lagerge­ häuses 32 auszuschließen, ist das Lagergehäuse 32 von einer Stahlhülse 54 umgeben.

Die Prägestempel 48, 50 sind mit gegenläufigen, gewindear­ tigen Strukturen 49, 51 gleicher Steigung versehen. Während des Prägevorgangs wird das Lagergehäuse passiv durch die Stege der gewindeartigen Strukturen des Rillenmusters ge­ dreht. Diese Stege wirken wie Kufen, die sich in das Mate­ rial des Lagergehäuses eingraben, wodurch beim achsialen Vorschub des Prägestempels 50 Antriebskräfte in Umfangsrich­ tung des Lagergehäuses übertragen werden; aufgrund der ge­ genläufig verlaufenden Strukturen 49, 51 sind die von bei­ den Prägestempeln übertragenen Antriebskräfte gleichgerich­ tet. Im Falle des beschriebenen Ausführungsbeispiels dreht sich das Lagergehäuse während des Prägevorgangs, also bei Abwärtsbewegung des Prägestempels 50 im Uhrzeigersinn, wäh­ rend es sich beim Entfernen, also bei der Aufwärtsbewegung des Prägestempels 50 im Gegenuhrzeigersinn bewegt.

Claims (16)

1. Verfahren zum Herstellen von spiralförmigen Rillen an einer konischen Fläche (36, 38), insbesondere an einer Lagerfläche eines konischen Spiralrillenlagers, dadurch gekennzeichnet, daß die spiralförmigen Rillen mittels eines Prägestempels (10, 20, 48, 50) in die konische Fläche eingeprägt werden, wobei während des Prägevorgangs der Prägestempel relativ zur konischen Fläche sowohl in Richtung der Achse (16, 26, 46) der konischen Fläche vorgeschoben als auch um diese Achse rotiert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von spiralförmigen Rillen in Form eines Herring­ bone-Musters, bei dem die Rillen eines ersten Rillenmuster­ abschnitts (30) entgegengesetzt zu den Rillen eines zweiten Rillenmusterabschnitts (31) verlaufen, ein zweigeteilter Prägestempel (20) verwendet wird, der den Rillenmusterab­ schnitten (30, 31) entsprechende Prägeabschnitte (28, 24) aufweist, die relativ zueinander um die genannte Achse (26) in entgegengesetzte Richtungen rotierbar sind, und daß wäh­ rend des Prägevorgangs die Prägeabschnitte des Prägestem­ pels in entgegengesetzte Richtungen rotiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung von Rillenmustern mit Abschnitten mit unter­ schiedlichen Rillenneigungen ein Prägestempel verwendet wird, der den unterschiedlichen Abschnitten entsprechende Prägeabschnitte aufweist, die relativ zueinander um die genannte Achse rotierbar sind, und daß während des Prägevor­ gangs die Prägeabschnitte des Prägestempels zumindest teil­ weise mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und/oder in entgegengesetzte Richtungen rotiert werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die relative Rotation zwischen Prägestempel (10, 20, 48, 50) und konischer Fläche (36, 38) während des Prägens ausschließlich aufgrund der zwischen dem Prägestem­ pel und der konischen Fläche durch den achsialen Vorschub wirkenden Antriebskräfte erfolgt.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Prägestempel (10, 20, 48, 50) und der konischen Fläche (36, 38) Schmierstoffe vorge­ sehen werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Prägen vorhandene Grate mit­ tels Honen entfernt werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Prägen unter Warmumformung erfolgt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Prägestempel (50) relativ zur koni­ schen Fläche (38) in einer Ebene senkrecht zur Achse (46) frei verschieblich gelagert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1 zum Herstellen von spiralförmigen Rillen in den beiden konischen Lagerflächen (36, 38) eines Lagergehäuses (32), bei dem die konischen Lagerflächen eine gemeinsame Achse (46) aufweisen und sich in entgegengesetz­ te Richtungen öffnen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ril­ len in beiden Lagerflächen (36, 38) mittels zwei sich gegen­ überliegend angeordneten Prägestempeln (48, 50) gleichzeitig geprägt werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das zwischen den beiden drehfest angeordneten Prägestempeln (48, 50) angeordnete Lagergehäuse (32) von diesen frei dreh­ bar gehalten wird.

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch
eine Basis (40),
einen an der Basis (40) befestigten ersten Prägestempel (48),
einen relativ zur Basis (40) in Richtung der Achse (46) beweglich antreibbaren Träger (44), und
einen am Träger (44) befestigten zweiten Prägestempel (50), wobei die Achse des zweiten Prägestempels (50) mit der Ach­ se des ersten Prägestempels (48) fluchtet.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (44) an einem an der Basis (40) befestigten Säu­ lengestell (42) geführt ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Prägestempel (48) und der zweite Prägestempel (50) drehfest an der Basis (40) bzw. am Träger (44) befe­ stigt sind.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß einer (50) der beiden Prägestempel (48, 50) in einer Ebene senkrecht zur Achse (46) frei verschieb­ lich ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem senkrecht zur Achse (46) verschieblichen Präge­ stempel (50) und dem ihn tragenden, senkrecht zur Achse nicht verschieblichen Bauteil (44) eine Kugelführung (52) angeordnet ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Lagergehäuse (32) von einem Gegen­ druckelement insbesondere in Form einer Stahlhülse (52) umgeben ist.