DEP0052437DA

DEP0052437DA - Process for the production of precision balls by cold forming

Info

Publication number: DEP0052437DA
Authority: DE
Inventors: Emil Ludwigsburg Deußen
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Publication date: 1951-01-18

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.Balls made of steel or other suitable metals are generally produced on forging presses. An annealed, bright drawn wire or a round rod is used as the starting material. The precision balls used for ball bearings are exposed to particularly high loads; they are hardened to reduce the sliding friction on their surface, while the core of the ball should remain soft in order to retain sufficient elasticity against the high compressive, tensile and shear loads. In-depth investigations of such balls after a long period of operation have now shown that the surface damage occurs predominantly in zones which, for each ball, have a very specific position in relation to the longitudinal axis of the rod section from which the ball is made. It is known that such balls are made from a cylindrical rod section, the height of which is approximately greater and the diameter of which is somewhat smaller than the ball diameter. Two hemispherical shapes are used as pressing tools, which point in the direction of the longitudinal axis of the rod section to be moved towards each other. The cylinder is compressed in its longitudinal axis and at the same time expanded barrel-shaped on the circumference until the compact completely fills the two hemispherical molds. When pressing such balls, it is now necessary that the starting cylinder has an approximately larger volume than the finished ball, so that a complete filling of the molds is guaranteed by the material. The excess material overflows over the edge of the compression molds, so that an annular bead is created which has to be removed again afterwards by grinding. This process is illustrated in Figure 1.

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.The spherical domes lying in the direction of the longitudinal axis of the rod section should be referred to as "spherical zones", the largest circle perpendicular to the polar axis as the "equator" and the end points of the spherical axis perpendicular to the "equator" as "poles". The original structure of the rolled bar material shows the so-called rolled structure, in which the individual structural components of the steel are essentially arranged in lines in the longitudinal direction of the bar or ingot. In particular, the pure iron ferrite is deposited in such longitudinal lines. Experience has shown that when such steel is drawn or cold-rolled, hardening occurs particularly on the outer circumference of the round steel, which leads to internal stresses between the core layers and the edge layers. layers leads. The approximate course of the layer lines in a longitudinal section through the sphere formed from a cylinder is shown in Fig. 1. The structural layers previously lying on cylindrical outer surfaces are strongly compressed at the spherical poles by the pressure applied radially to the center of the sphere. In contrast, the course of the layers is fundamentally different in the spherical zones between the poles and the equator, where shear stresses directed downwards from the pole occur in the longitudinal direction of the structural layers. The material can escape over the cylinder circumference and flows towards the end of the pressing process between the approaching edge surfaces of the press molds. The outer structural layers bulge and are stressed to buckle at the edges of the bulge that is forming. The layer structure will emerge from the spherical surface on two annular surfaces on both sides of the equator through the subsequent grinding away of the annular bead.

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.The recognition of this uneven structure and the resulting different strength properties of the spheres produced by the usual process led to the invention of a new type of production process. The reason for this was provided by the experience made during scheduled tests that highly stressed balls show damage after a long period of operation, which is almost entirely impossible. Lich concern the zones between the equator and the poles in which the calculated increased shear stresses occur during spherical formation. It was also found that shell-like pieces detach themselves from the spherical surface mainly at those points where, according to the theory established, the line-shaped longitudinal layers emerge from the sphere on both sides of the equator. The correctness of the considerations on which the invention is based could also be demonstrated on etched sections of damaged balls of this type. Therefore, the inventor set himself the task of producing precision balls according to a novel process in such a way that the line-like structure of the mild steel resulting from the rolling process is retained as closed as possible, and that in particular the formation of annular bulges that occurs in the usual ball pressing process is avoided. This process is illustrated in FIG.

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.According to the method according to the invention, precision balls are produced in two operations in such a way that an imperfect ball is first pre-pressed from a cylindrical rod section between hemispherical compression molds without annular bead formation. The content of the starting cylinder is taken somewhat smaller than the ball content of the two mold halves taken together. As a result, non-deformed flat circular surfaces remain at the spherical poles, corresponding to the end surfaces of the starting cylinder, while there is no torus formation at the equator between the approaching molds. With this method, there are no buckling stresses in the ring surface at the spherical equator; There are also no major shear stresses in the spherical zones between the equator and poles, because the material only comes into contact with the mold when the mold halves are closed, and consequently the longitudinal layers on the circumference of the sphere are no longer subject to any significant shear stress.

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.In order to largely preserve the longitudinal structure at the ends of the cylindrical rod section, it has also proven advantageous to give the rod section a relatively large length with a correspondingly reduced diameter, so that the ratio of cylinder diameter to height is at least 1: 4. With such a, in contrast to the usual very large ratio of diameter to height, the material can move freely within the hemispherical shape during the pressing process before it hits the inner wall of the mold and is subject to strong shear stresses on the outer layers.

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.The pre-pressed ball is then completed in a second work step, which can be done between helically grooved rollers or between pressing jaws provided with grooves and moving against one another. The manufacture of balls from pre-pressed workpieces cut off from the bar is known; but this creates a pressed annular bead connecting spherical body halves, which must be removed before the balls are finished grinding, and which results in a high amount of shot waste. Furthermore, it has already been proposed to sever the workpieces from the rod by notching so that short cylinder pieces with conical ends are produced. In this way, however, it is not possible to manufacture balls which are formed with an even pressure distribution and which can withstand the high loads in ball bearings. The precision balls produced by the method according to the invention and finish-rolled in the first operation, on the other hand, have a previously unattainable service life due to the uniformly compacted structure that is adapted to the rolling structure, even under the high stress that occurs especially with self-aligning ball bearings.

Die Herstellung von Präzisionskugeln, einerseits nach dem bisherigen und andererseits nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, ist in der Zeichnung 1 - 3 schematisch dargestellt:The production of precision balls, on the one hand according to the previous method and on the other hand according to the method according to the invention, is shown schematically in the drawings 1 - 3:

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. BeimFig. 1 shows a ball (2) produced from a cylindrical rod section (1) according to the previously customary method. The raw pressed ball receives a material allowance (3) for the purpose of further processing. At the

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.Pressing creates an annular bead (4), which is removed by grinding. The course of the structural layers (5) in the sphere cut along the longitudinal axis of the starting cylinder is shown in FIG.

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. 2 shows a ball (2 ') of the same size which is produced from a cylindrical rod section according to the method according to the invention. The pre-pressed ball with a machining allowance (3 ') is not completely pressed, so that the poles of the ball, which correspond to the end faces of the starting cylinder (1'), are approximately flattened (6 '). The course of the structural layers (5 ') is also shown in FIG.

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.Fig. 3 shows schematically the surface of a finished ball produced according to the previous method. The spherical equator (8) corresponds to the original position of the annular bead removed by grinding away, the poles (7) are the end points of the spherical axis perpendicular to the equator. At (9) are the spherical zones, where the line-shaped structural layers from step out of the surface of the sphere. In the spherical zones (10, Fig. 1 and 3) lying between the equator and poles, destruction occurs most frequently in that shell-shaped pieces become detached from the spherical surface. In the previous method, particularly strong shear stresses occur in the spherical zones (11, FIGS. 1 and 3).

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.The technical progress of the invention compared to the previously common ball pressing process is firstly in the significantly better quality of the balls due to the undestroyed, closed structure and secondly in the simplification of machining. This is because the raw balls produced by the process according to the invention only need to be ground and polished, while in the case of the balls produced by the conventional pressing process, the annular bead must first be removed by grinding before the finish grinding. This process, known as "grinding", is very time-consuming and at the same time associated with a relatively high loss of material, because a lot of grinding waste is also created on the ball poles when the annular bead is abraded. The technical progress achieved by saving this operation is so great that the additional effort for the two In contrast, stepped spherical formation is not important. An essential advantage of the two-stage working process is that the pre-pressed balls receive a uniformly compacted and thus hardened surface layer through the subsequent rolling, so that the usual hardening is no longer necessary with less stressed balls, or with highly stressed balls only inductive hardening instead of case hardening Hardening is required.

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.The method according to the present invention thus provides precision steel balls with a uniformly compacted surface, which do not require any post-processing that destroys the structure and which do not need to be hardened afterwards or only need to be inductively hardened with less expenditure of time and effort.

Claims

1.) A process for the production of precision steel balls by cold forming, in which a piece cut from a rod, the length of which is significantly larger and whose diameter is correspondingly smaller than the ball to be produced, is pressed together in the direction of the longitudinal axis of the rod section, characterized in that the production takes place in two operations and that the volume of the rod section is slightly smaller than the cavity of the tools used for upsetting in the first operation, a ball which is flattened at the end faces of the starting cylinder and which is brought into the final spherical shape by rolling.

2.) The method according to claim 1, characterized in that the outer, essentially longitudinal fiber layer of the starting cylinder, the length of which is preferably at least four times as large as its diameter, is deflected by pre-upsetting at the cylinder edges and further deformed and simultaneously compressed by subsequent rolling so that the fibers of this layer are in a closed structure and essentially in the same direction in the spherical surface.