DEP0052437DA - Verfahren zur Herstellung von Präzisionskugeln durch Kaltformgebung - Google Patents

Description

Kugeln aus Stahl oder anderen geeigneten Metallen werden im allgemeinen auf Schmiedepressen hergestellt. Als Ausgangsmaterial dient ein geglühter, blankgezogener Draht oder eine Rundstange. Die für Kugellager verwendeten Präzisionskugeln sind besonders hohen Beanspruchungen ausgesetzt; sie werden zur Verringerung der Gleitreibung auf ihrer Oberfläche gehärtet, während der Kern der Kugel weich bleiben soll, um gegenüber den hohen Druck-, Zug- und Schubbeanspruchungen eine genügende Elastizität zu behalten. Eingehende Untersuchungen von solchen Kugeln nach langer Laufdauer haben nun gezeigt, daß die Oberflächenzerstörungen vorwiegend auf Zonen auftreten, die bei jeder Kugel eine ganz bestimmte Lage zu der Längsachse des Stangenabschnitts, aus dem die Kugel hergestellt ist, besitzen. Bekanntlich werden derartige Kugeln aus einem zylindrischen Stangenabschnitt gefertigt, dessen Höhe etwa größer und dessen Durchmesser etwas kleiner als der Kugeldurchmesser ist. Als Preßwerkzeuge dienen zwei halbkugelige Formen, welche in der Richtung der Längsachse des Stangenabschnitts auf einander zu bewegt werden. Der Zylinder wird dabei in seiner Längsachse gestaucht und gleichzeitig am Umfang tonnenförmig ausgeweitet, bis der Pressling die beiden halbkugelförmigen Pressformen vollkommen ausfüllt. Beim Pressen solcher Kugeln ist es nun notwendig, daß der Ausgangszylinder einen etwa größeren Rauminhalt als die fertige Kugel hat, damit eine vollständige Ausfüllung der Pressformen durch den Werkstoff gewährleistet ist. Der Werkstoffüberschuss fließt über den Rand der Pressformen über, so daß eine Ringwulst entsteht, die nachträglich durch Schleifen wieder entfernt werden muß. Dieser Vorgang ist auf der Abbildung 1 veranschaulicht.

Die in Richtung der Längsachse des Stangenabschnitts liegenden Kugelhauben sollen als "Kugelzonen", der größte Kreis, senkrecht zur Polachse, als "Äquator" und die Endpunkte der zum "Äquator" senkrechten Kugelachse als "Pole" bezeichnet werden. Das ursprüngliche Gefüge des gewalzten Stangenmaterials zeigt die sog. Walzstruktur, bei der die einzelnen Gefügebestandteile des Stahles im wesentlichen zeilenförmig in der Längsrichtung der Stange oder des Barrens angeordnet sind. Insbesondere scheidet sich der aus reinem Eisen bestehende Ferrit in solchen längsgerichteten Zeilen ab. Beim Ziehen oder Kaltwalzen von solchem Stahl tritt erfahrungsgemäß besonders auf dem äußeren Umfang des Rundstahls eine Härtung ein, die zu inneren Spannungen zwischen den Kernschichten und den Rand- schichten führt. Der ungefähre Verlauf der Schichtlinien in einem Längsschnitt durch die aus einem Zylinder geformte Kugel ist auf Abb. 1 dargestellt. Die vorher auf zylindrischen Mantelflächen liegenden Gefügeschichten werden an den Kugelpolen durch den radial auf den Kugelmittelpunkt gerichteten Pressdruck stark verdichtet. Grundsätzlich verschieden ist dagegen der Schichtverlauf in den zwischen den Polen und dem Äquator gelegenen Kugelzonen, wo vom Pol abwärts gerichtete Schubspannungen in der Längsrichtung der Gefügeschichten auftreten. Der Werkstoff kann über den Zylinderumfang ausweichen und fließt gegen Ende des Pressvorganges zwischen die sich einander nähernden Randflächen der Pressformen. Die äußeren Gefügeschichten wölben sich dabei auf, und werden an den Rändern des sich bildenden Wulstes auf Knickung beansprucht. Durch das nachfolgende Wegschleifen der Ringwulst wird das Schichtengefüge auf zwei Ringflächen beiderseits des Äquators aus der Kugeloberfläche heraustreten.

Die Erkenntnis dieser ungleichmäßigen Gefügebildung und der daraus folgenden unterschiedlichen Festigkeitseigenschaften der nach dem üblichen Verfahren hergestellten Kugeln führte zu der Erfindung eines neuartigen Fertigungsverfahrens. Die Veranlassung dazu boten die bei planmäßigen Versuchen gemachten Erfahrungen, daß hochbeanspruchte Kugeln nach längerer Laufdauer Beschädigungen aufweisen, die fast ausschließ- lich die zwischen dem Äquator und den Polen liegenden Zonen betreffen, in denen die berechneten erhöhten Schubspannungen bei der Kugelformung auftreten. Es zeigte sich ferner, daß sich schalenartige Stücke hauptsächlich an denjenigen Stellen von der Kugeloberfläche ablösen, an denen nach der aufgestellten Theorie der Austritt der zeilenförmigen Längsschichten aus der Kugel beiderseits des Äquators stattfindet. An geätzten Schliffen von derartigen beschädigten Kugeln konnte weiter die Richtigkeit der der Erfindung zugrundeliegenden Überlegungen nachgewiesen werden. Daher stellte sich der Erfinder die Aufgabe, Präzisionskugeln nach einem neuartigen Verfahren so herzustellen, daß das durch den Walzvorgang entstandene zeilenartige Gefüge des Flußstahles möglichst geschlossen erhalten bleibt, und daß insbesondere die beim üblichen Kugelpreßverfahren auftretende Ringwulstbildung vermieden wird. Dieser Vorgang ist in Fig. 2 veranschaulicht.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren werden Präzisionskugeln in zwei Arbeitsgängen auf die Weise hergestellt, daß zuerst aus einem zylindrischen Stangenabschnitt eine unvollkommene Kugel zwischen halbkugeligen Preßformen ohne Ringwulstbildung vorgepresst wird. Der Inhalt des Ausgangszylinders wird dabei etwas kleiner genommen als der Kugelinhalt der beiden Preßformhälften zusammengenommen. Dadurch bleiben an den Kugelpolen nichtverformte ebene Kreisflächen, entsprechend den Endflächen des Ausgangs- zylinders, übrig, während es am Äquator zwischen den sich nähernden Preßformen zu keiner Ringwulstbildung kommt. Bei diesem Verfahren treten also keine Knickspannungen in der Ringfläche am Kugeläquator auf; es entstehen auch keine größeren Schubspannungen in den Kugelzonen zwischen Äquator und Polen, weil der Werkstoff erst beim Schließen der Formhälften zum Anliegen an die Preßform kommt, und infolgedessen die Längsschichten am Kugelumfang keiner wesentlichen Schubbeanspruchung mehr unterliegen.

Zur weitgehenden Erhaltung des Längsgefüges an den Enden des zylindrischen Stangenabschnitts hat es sich ferner als vorteilhaft erwiesen, dem Stangenabschnitt eine verhältnismäßig große Länge bei entsprechend verkleinertem Durchmesser zu geben, so daß das Verhältnis von Zylinderdurchmesser zur -Höhe mindestens 1 : 4 beträgt. Bei einem derartigen, im Gegensatz zu dem üblichen sehr großen Verhältnis von Durchmesser zu Höhe kann der Werkstoff während des Preßvorganges innerhalb der halbkugeligen Form frei ausweichen, bevor derselbe auf die Innenwand der Form trifft, und auf den Außenschichten starken Schubspannungen unterliegt.

Die vorgepreßte Kugel wird dann in einem zweiten Arbeitsgang fertiggestellt, was zwischen schraubenförmig gerillten Walzen oder auch zwischen gegeneinander bewegten, mit Rillen versehenen Preßbacken erfolgen kann. Die Herstellung von Kugeln aus von der Stange abgestochenen, vorgepreßten Werkstücken ist bekannt; dabei entsteht aber eine die vorge- preßten kugeligen Körperhälften verbindende Ringwulst, die vor dem Fertigschleifen der Kugeln entfernt werden muß, und einen hohen Schrotabfall ergibt. Ferner ist schon vorgeschlagen worden, die Werkstücke durch Kerbschnitte von der Stange abzutrennen, so daß kurze Zylinderstücke mit kegelförmigen Enden entstehen. Auf diese Weise können aber keine unter gleichmäßiger Druckverteilung geformten Kugeln gefertigt werden, die die hohen Beanspruchungen in Kugellagern aushalten. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten, im ersten Arbeitsgang fertiggewalzten Präzisionskugeln haben dagegen infolge des gleichmäßig verdichteten, der Walzstruktur angepaßten Gefüges eine bisher unerreichte Lebensdauer auch unter der besonders bei Pendelkugellagern auftretenden hohen Beanspruchung.

Die Herstellung von Präzisionskugeln, einerseits nach dem bisherigen und andererseits nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, ist in der Zeichnung 1 - 3 schematisch dargestellt:

Fig. 1 zeigt eine nach dem bisher üblichen Verfahren aus einem zylindrischen Stangenabschnitt (1) hergestellte Kugel (2). Die roh gepreßte Kugel erhält eine Materialzugabe (3) zum Zwecke der weiteren Bearbeitung. Beim

Pressen entsteht eine Ringwulst (4), die durch Schleifen entfernt wird. Der Verlauf der Gefügeschichten (5) in der entsprechend der Längsachse des Ausgangszylinders geschnittenen Kugel ist auf Fig. 1 dargestellt.

Fig. 2 zeigt eine gleichgroße Kugel (2'), die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aus einem zylindrischen Stangenabschnitt hergestellt ist. Die mit einer Bearbeitungszugabe (3') vorgepreßte Kugel ist nicht fertig gepreßt, so daß die Pole der Kugel, die den Endflächen des Ausgangszylinders (1') entsprechen, etwa abgeflacht sind (6'). Der Verlauf der Gefügeschichten (5') ist auf Fig. 2 ebenfalls dargestellt.

Fig. 3 zeigt schematisch die Oberfläche einer nach dem bisherigen Verfahren hergestellten fertigen Kugel. Der Kugeläquator (8) entspricht der ursprünglichen Lage der durch Wegschleifen beseitigen Ringwulst, die Pole (7) sind die Endpunkte der zum Äquator senkrechten Kugelachse. Bei (9) liegen die Kugelzonen, wo die zeilenförmigen Gefügeschichten aus der Kugeloberfläche heraustreten. In den zwischen Äquator und Polen liegenden Kugelzonen (10, Fig. 1 u. 3) treten am häufigsten Zerstörungen auf, indem sich schalenförmige Stücke von der Kugeloberfläche ablösen. In den Kugelzonen (11, Fig. 1 u. 3) kommt es bei dem bisherigen Verfahren zu besonders starken Schubspannungen.

Gegenüber dem bisher üblichen Kugelpreßverfahren liegt der technische Fortschritt der Erfindung erstens in der durch die unzerstörte, geschlossene Struktur bedingten wesentlich besseren Beschaffenheit der Kugeln und zweitens in der Vereinfachung der Bearbeitung. Denn die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigten rohen Kugeln brauchen nur überschliffen und poliert zu werden, während bei den nach dem üblichen Preßverfahren hergestellten Kugeln vor dem Fertigschleifen zunächst die Ringwulst durch Abschleifen beseitigt werden muß. Dieser als "Schroten" bezeichnete Vorgang ist sehr zeitraubend und zugleich mit verhältnismäßig hohem Materialverlust verbunden, weil beim Abschleifen der Ringwulst auch an den Kugelpolen viel Schleifabfall entsteht. Der durch die Einsparung dieses Arbeitsganges erzielte technische Fortschritt ist so groß, daß der Mehraufwand für die zwei- stufige Kugelformung demgegenüber nicht von Bedeutung ist. Ein wesentlicher Vorteil des zweistufigen Arbeitsverfahrens liegt außerdem noch darin, daß die vorgepreßten Kugeln durch das nachfolgende Walzen eine gleichmäßig verdichtete und dadurch härtete Oberflächenschicht erhalten, so daß die übliche Härtung bei geringer beanspruchten Kugel ganz wegfällt, oder bei hochbeanspruchten Kugeln statt der Einsatzhärtung nur eine induktive Härtung erforderlich ist.

Das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung liefert also bei geringerem Zeit- und Arbeitsaufwand Präzisionsstahlkugeln mit gleichmäßig verdichteter Oberfläche, welche keiner das Gefüge zerstörenden Nachbearbeitung bedürfen und nachträglich nicht oder nur induktiv gehärtet zu werden brauchen.

Claims (2)

1.) Verfahren zur Herstellung von Präzisionsstahlkugeln durch Kaltformgebung, bei dem ein von einer Stange abgeschnittenes Stück, dessen Länge wesentlich größer und dessen Durchmesser entsprechend kleiner als die herzustellende Kugel ist, in Richtung der Längsachse des Stangenabschnittes zusammengepreßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung in zwei Arbeitsgängen erfolgt und daß das Volumen des Stangenabschnittes etwas kleiner als der Hohlraum der im ersten Arbeitsgang zum Stauchen dienenden Werkzeuge ist, wobei eine an den Endflächen des Ausgangszylinders abgeflachte Kugel geformt wird, welche durch Walzen in die endgültige Kugelform gebracht wird.

2.) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere, im wesentlichen längsgerichtete Faserschicht des Ausgangszylinders, dessen Länge vorzugsweise mindestens viermal so groß als dessen Durchmesser ist, durch Vorstauchen an den Zylinderkanten umgelenkt und durch darauffolgendes Walzen weiter verformt und gleichzeitig verdichtet wird, so daß die Fasern dieser Schicht in geschlossenem Gefüge und im wesentlichen gleichgerichtet in der Kugeloberfläche liegen.