WO2011128174A1 - Wälzlager insbesondere in werkzeugmaschinenspindeln und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents
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- WO2011128174A1 WO2011128174A1 PCT/EP2011/054116 EP2011054116W WO2011128174A1 WO 2011128174 A1 WO2011128174 A1 WO 2011128174A1 EP 2011054116 W EP2011054116 W EP 2011054116W WO 2011128174 A1 WO2011128174 A1 WO 2011128174A1
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- F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
- F16C—SHAFTS; FLEXIBLE SHAFTS; ELEMENTS OR CRANKSHAFT MECHANISMS; ROTARY BODIES OTHER THAN GEARING ELEMENTS; BEARINGS
- F16C33/00—Parts of bearings; Special methods for making bearings or parts thereof
- F16C33/30—Parts of ball or roller bearings
- F16C33/58—Raceways; Race rings
- F16C33/62—Selection of substances
Definitions
- the invention relates to a roller bearing and to a method for producing a rolling bearing, in particular for machine tool spindles with at least two races, each having a running surface on which rolling elements arranged around the circumference roll, and a core region for receiving a machine tool spindle in a machine housing.
- Rolling bearings for machine tool spindles have to meet high demands with regard to their wear behavior and their strength.
- rolling bearing steels such as 100Cr6 are used. These can be particularly heat treated, for example, to increase their strength, for example carbonitrided.
- martensitic cold work steels for example highly nitrided bearing steels (HNS), for example CRONIDUR® 30, results in higher resistance to wear and material fatigue.
- HNS highly nitrided bearing steels
- the object of the invention is therefore the advantageous development of a rolling bearing with in particular against permanent deformation particularly resistant races. Description of the invention
- the object is achieved by a method for producing a rolling bearing, in particular for machine tool spindles with at least two races, each with a running surface, roll on the arranged over the circumference Wälz- body, and a core portion for receiving a machine tool spindle in a machine housing, both races completely off made of powder metallurgy produced high speed steel.
- HSS high-speed steel
- the use of high-speed steel in conjunction with powder metallurgy production increases the hardness of the races so that rolling bearings with Rockwell hardness greater than 65 HRC can be achieved.
- the hardness approaches between the races and the rolling elements preferably made of ceramic material. Even at high speeds and thus especially at mixed friction resulting high temperatures at the rolling contact between raceways of the races and the rolling elements, the races remain wear resistant due to the high thermal hardness of the material used from powder metallurgy produced high speed steel.
- the high hardness of the proposed material is associated with an increased modulus of elasticity, so that the rigidity of the rolling contact and thus of the rolling bearing connected, so that the rolling bearing even under high load, the tool spindle relative to the machine housing leads exactly and thus a high-precision manufacturing with the Machine tool allows.
- raw shapes of the races can be formed in the process by means of the powder metallurgical production in the form of a near-net shape production contour.
- a so-called “near net shape” process can be used, after which the production contours of the races, which have a shape near the final contour, can be subjected to a heat treatment process and a final shape of the bearing rings can be produced by machining.
- a rolling bearing in particular for machine tool spindles with at least two races, each with a running surface, roll on the circumferentially arranged rolling elements, and a core portion for receiving a machine tool spindle in a machine housing, both races are made entirely of powder metallurgy produced high speed steel ,
- a rolling bearing is characterized in particular by races, which have a Restaustenitgehalt less than 3 percent due to the powder metallurgy production.
- a high carbide content can be achieved by the described method, wherein a diameter of carbides contained in the high-speed steel is less than 10 microns, so that embrittlement of bearing rings can be avoided despite the high carbide content.
- the races of a rolling bearing are characterized by a hardness greater than or equal to 65 HRC.
- the elastic modulus of the races can be set to greater than 210,000 MPa.
- the proposed rolling bearings may correspond to the shape of conventional rolling bearings known and may be used with respect to their dimensions compatible with these.
- corresponding antifriction bearings can be made more resistant to rolling bearings whose raceways are made of conventional materials such as 100Cr6 and Cronidur® 30, due to their improved properties with smaller dimensions.
- FIG. 1 shows a picture of the material structure of a conventional bearing material after polishing and etching of the material surface by means of a light microscope
- FIG. 2 shows a picture of the material structure of the invention
- FIG. 1 shows a photograph, recorded by means of a light microscope, of a ground surface of a test piece of standard material - here the heat-treated rolling bearing steel M50, which has been ground and subsequently etched, for example by means of dilute nitric acid.
- the bright carbide particles are laterally and therefore arranged unevenly in the test piece on the volume and have an extension up to 25 ⁇ .
- the material is given a preferential direction with differently densely distributed carbide particles. As a result, the properties are inhomogeneous at the microscopic level. These microscopic properties are macroscopically affected by lower hardness, deteriorated elastic modulus and increased wear.
- FIG. 2 shows a corresponding picture of the material structure of the material according to the invention from high-speed steel produced by powder metallurgy by means of a light microscope after appropriate treatment of FIG. 1 at the same magnification.
- the particle size of the bright carbide particles is between 5 and 6 ⁇ m and that these particles are uniformly distributed over the volume of the test piece. Furthermore, these are substantially spherical and have a nearly uniform diameter. This fine and homogeneous microstructure causes a high speed static and dynamic strength and an isotropic material behavior compared to high-speed steel produced by melt metallurgy.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Wälzlager und ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers insbesondere für Werkzeugmaschinenspindeln mit zumindest zwei Laufringen mit jeweils einer Lauffläche, auf der über den Umfang angeordnete Wälzkörper abwälzen, und einem Kernbereich zur Aufnahme einer Werkzeugmaschinenspindel in einem Maschinengehäuse. Um das Verschleißverhalten, die Maßstabilität und Festigkeit in der Anwendung und während des Herstellungsprozesses derartiger Wälzlager weiter zu erhöhen, werden beide Laufringe vollständig aus pulvermetallurgisch hergestelltem Schnellarbeitsstahl hergestellt.
Description
WÄLZLAGER INSBESONDERE IN WERKZEUGMASCHINENSPINDELN UND VERFAHREN ZU
DESSEN HERSTELLUNG
Beschreibung
Gebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft ein Wälzlager und ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers insbesondere für Werkzeugmaschinenspindeln mit zumindest zwei Laufringen mit jeweils einer Lauffläche, auf der über den Umfang angeordnete Wälzkörper abwälzen, und einem Kernbereich zur Aufnahme einer Werkzeugmaschinenspindel in einem Maschinengehäuse.
Hintergrund der Erfindung
Wälzlager für Werkzeugmaschinenspindeln haben bezüglich ihres Verschleißverhaltens und ihrer Festigkeit hohe Anforderungen zu erfüllen. Übli- cherweise werden - wie beispielsweise aus der DE 103 48 608 A1 bekannt - Wälzlagerstähle wie 100Cr6 verwendet. Diese können beispielsweise zur Erhöhung von deren Festigkeit besonders wärmebehandelt, beispielsweise karbonitriert sein.
Im Weiteren werden durch die Verwendung von martensitischen Kaltarbeits- stählen, beispielsweise hochnitrierte Lagerstähle (HNS), beispielsweise CRONIDUR® 30 höhere Beständigkeiten gegen Verschleiß und Materialermüdung erzielt.
Um die vergleichsweise niedrige Belastungsgrenze gegenüber dauernden Verformungen infolge einer niedrigen Härte im Bereich einer Härte nach Rockwell (HRC) kleiner 60 zu verbessern, werden in der DE 10 2005 022 730 A1 für Anwendungen in einer Flugzeugturbine Lager-
ringe vorgeschlagen, die einen Kernbereich aus vergleichsweise weichem Standardstahl und einen die Lauffläche eines Laufrings bildenden Werkstoff aus pulvermetallurgisch hergestelltem Werkstoff aufweisen. Infolge der notwendigen Abstimmung der beiden Werkstoffe aufeinander in einem gemein- samen Wärmebehandlungsverfahren sind die Eigenschaften für die im Betrieb hoch beanspruchte Laufringe für eine Anwendung in Werkzeugmaschinenspindeln nicht optimal.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist daher die vorteilhafte Weiterbildung eines Wälzlagers mit insbesondere gegen bleibende Verformung besonders resistenten Laufringen. Beschreibung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers insbesondere für Werkzeugmaschinenspindeln mit zumindest zwei Laufringen mit jeweils einer Lauffläche, auf der über den Umfang angeordnete Wälz- körper abwälzen, und einem Kernbereich zur Aufnahme einer Werkzeugmaschinenspindel in einem Maschinengehäuse gelöst, wobei beide Laufringe vollständig aus pulvermetallurgisch hergestelltem Schnellarbeitsstahl hergestellt werden.
Durch die Verwendung von ursprünglich für die spanende Fertigung vorge- sehenem Schnellarbeitsstahl (HSS) in Laufringen von Wälzlagern wird eine hohe Härte, Verschleißbeständigkeit und Warmfestigkeit erzielt. Eine mögliche Versprödung durch den hohen Kohlenstoffgehalt derartiger Schnellar- beitsstähle, die sich in Laufringen von Wälzlagern negativ auswirken kann, wird durch die Herstellungsmethode der Laufringe in Form einer pulverme- tallurgischen Herstellung wesentlich verringert. Beispielsweise wird bei derartigen Verfahren der Schnellarbeitsstahl verdüst und daraus entstehende
Partikel unter Druck und Temperatur verdichtet. Hieraus entsteht trotz hohem Kohlenstoffgehalt ein sehr feines isotropes Gefüge, das in Verbindung mit der hohen Reinheit des Schnellarbeitsstahls eine hohe Materialermüdungsfestigkeit ermöglicht. Auf diese Weise wird an den Laufbahnen eine derartige Materialermüdungsfestigkeit erzielt, dass bei Überrollung selbst mit vergleichsweise harten Wälzkörpern beispielsweise aus Keramik gearbeitet werden kann, ohne die Lebensdauer der Wälzlager zu verringern. Durch das isotrope Gefüge entstehen Werkstücke ohne wesentliche Vorzugsrichtung, so dass die daraus hergestellten Laufringe während einer gegebenenfalls stattfindenden Wärmebehandlung und einer spanenden Endbearbeitung störende Verzüge gering gehalten und dadurch die Fertigungskosten durch hohe Genauigkeit der Fertigungsschritte und einen verringerten Endbearbeitungsaufwand gesenkt werden können.
Zusätzlich wird durch die Verwendung eines Schnellarbeitsstahls in Verbin- dung mit einer pulvermetallurgischen Herstellung die Härte der Laufringe gesteigert, so dass Wälzlager mit Härten nach Rockwell größer 65 HRC erzielt werden können. Durch die Einstellung derartiger Härten nähern sich die Härten zwischen den Laufringen und den vorzugsweise aus Keramikmaterial hergestellten Wälzkörper an. Selbst bei hohen Drehzahlen und damit insbesondere bei Mischreibung entstehenden hohen Temperaturen am Wälzkontakt zwischen Laufbahnen der Laufringe und den Wälzkörpern bleiben die Laufringe wegen der hohen Warmhärte des verwendeten Materials aus pulvermetallurgisch hergestelltem Schnellarbeitsstahl verschleißfest.
Weiterhin ist die hohe Härte des vorgeschlagenen Materials mit einem ge- steigerten Elastizitätsmodul verbunden, so dass die Steifigkeit des Wälzkontakts und damit des Wälzlagers verbunden, so dass das Wälzlager selbst unter hoher Belastung die Werkzeugspindel gegenüber dem Maschinengehäuse exakt führt und damit eine hochpräzise Fertigung mit der Werkzeugmaschine ermöglicht. Durch eine für die Schnellarbeitsstähle vorteilhafterweise vorgesehene Wär-
mebehandlung wird ein niedriger Austenitgehalt erzielt, der zu einer hohen Maßhaltigkeit während der Herstellung und des Betriebs des Wälzlagers führen kann.
Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel können in dem Verfahren Rohformen der Laufringe mittels der pulvermetallurgischen Herstellung in Form einer endkonturnahen Fertigungskontur gebildet werden. Hierzu kann ein sogenanntes „NearNetshape"-Verfahren eingesetzt werden. Anschließend können die endkonturnahen Fertigungskonturen der Laufringe einem Wärmebehandlungsverfahren unterzogen und eine Endform der Lagerringe spanend erzeugt werden.
Die Aufgabe wird ebenfalls durch ein Wälzlager insbesondere für Werkzeugmaschinenspindeln mit zumindest zwei Laufringen mit jeweils einer Lauffläche, auf der über den Umfang angeordnete Wälzkörper abwälzen, und einem Kernbereich zur Aufnahme einer Werkzeugmaschinenspindel in einem Maschinengehäuse gelöst, wobei beide Laufringe vollständig aus pulvermetallurgisch hergestelltem Schnellarbeitsstahl hergestellt sind. Ein derartiges Wälzlager zeichnet sich insbesondere durch Laufringe aus, die infolge der pulvermetallurgischen Herstellung einen Restaustenitgehalt kleiner 3 Prozent aufweisen. Weiterhin kann durch das beschriebene Verfahren ein hoher Karbidgehalt erzielt werden, wobei ein Durchmesser von in dem Schnellarbeitsstahl enthaltenen Karbiden kleiner 10 Mikrometern ist, so dass eine Versprödung von Lagerringen trotz des hohen Karbidgehalts vermieden werden kann. Die Laufringe eines Wälzlagers zeichnen sich weiterhin durch eine Härte größer gleich 65 HRC aus. Der Elastizitätsmodul der Laufringe kann auf größer 210 000 MPa eingestellt werden.
Es versteht sich, dass in weiteren Ausführungsbeispielen neben Wälzlagern mit Laufringen aus pulvermetallurgisch hergestelltem Schnellarbeitsstahl und aus keramischem Material gebildeten Wälzkörpern auch Wälzlager mit
Wälzkörpern aus anderen Materialien insbesondere aus dem Material der Laufringe vorteilhaft sein können. Im Weiteren können die vorgeschlagenen Wälzlager der Form üblicher, bekannter Wälzlager entsprechen und gegebenenfalls bezüglich ihren Abmessungen kompatibel zu diesen eingesetzt werden. In alternativen Ausführungsformen können entsprechende Wälzlager durch ihre verbesserten Eigenschaften mit geringeren Abmessungen gegenüber Wälzlagern, deren Laufringe aus üblichen Materialien wie 100Cr6 und Cronidur® 30 gefertigt sind, ausgeführt werden. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird anhand der in den Figuren 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
Figur 1 eine Aufnahme des Materialgefüges eines herkömmlichen La- gerwerkstoffs nach einem Polieren und Anätzen der Materialoberfläche mittels eines Lichtmikroskops und
Figur 2 eine Aufnahme des Materialgefüges des erfindungsgemäßen
Werkstoffs nach derselben Methode.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine mittels eines Lichtmikroskops aufgenommene Aufnahme einer angeschliffenen und anschließend beispielsweise mittels verdünnter Salpetersäure angeätzten Oberfläche eines Prüfstücks aus Standardmaterial - hier dem wärmebehandelten Wälzlagerstahl M50. Wie aus dem Abbildungsmaßstab und der Vergleichslänge von 20 μιτι hervorgeht, sind die hell dargestellten Karbidpartikel lateral und daher im Prüfstück auch über das Volumen ungleichmäßig angeordnet und haben eine Erstreckung bis zu 25 μιτι. Durch die Herstellung des Materials mit mehreren Kalt- oder Warmwalz-
schritten erhält das Material eine Vorzugsrichtung mit unterschiedlich dicht verteilten Karbidpartikeln. Dadurch sind die Eigenschaften im mikroskopischen Bereich inhomogen. Diese mikroskopischen Eigenschaften wirken sich makroskopisch durch geringere Härten, verschlechterte Elastizi- tätsmodule und erhöhten Verschleiß aus.
Figur 2 zeigt eine entsprechende Aufnahme des Materialgefüges des erfindungsgemäßen Materials aus mittels eines pulvermetallurgisch hergestellten Schnellarbeitsstahls mittels eines Lichtmikroskops nach entsprechender Behandlung der Figur 1 bei gleicher Vergrößerung. Es wird deutlich, dass die Partikelgröße der hell dargestellten Karbidpartikel im Bereich zwischen 5 - 6 μιτι liegt und dass diese gleichmäßig über das Volumen des Prüfstücks verteilt sind. Im Weiteren sind diese im Wesentlichen kugelförmig und weisen einen nahezu einheitlichen Durchmesser auf. Diese feine und homogene Gefüge bewirkt eine gegenüber schmelzmetallurgisch hergestellten Schnellarbeitsstählen höhere statische und dynamische Festigkeit und ein isotropes Material verhalten.
Claims
Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagers insbesondere für Werk- zeugmaschinenspindeln mit zumindest zwei Laufringen mit jeweils einer Lauffläche, auf der über den Umfang angeordnete Wälzkörper abwälzen, und einem Kernbereich zur Aufnahme einer Werkzeugmaschinenspindel in einem Maschinengehäuse, dadurch gekennzeichnet, dass beide Laufringe vollständig aus pulvermetallurgisch hergestelltem Schnellarbeitsstahl hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass Rohformen der Laufringe mittels der pulvermetallurgischen Herstellung in Form einer endkonturnahen Fertigungskontur gebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die end- konturnahe Fertigungskontur einem Wärmebehandlungsverfahren unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Endform der Lagerringe spanend erzeugt wird.
Wälzlager insbesondere für Werkzeugmaschinenspindeln mit zumindest zwei Laufringen mit jeweils einer Lauffläche, auf der über den Umfang angeordnete Wälzkörper abwälzen, und einem Kernbereich zur Aufnahme einer Werkzeugmaschinenspindel in einem Maschinengehäuse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass beide Laufringe vollständig aus pulvermetallurgisch hergestelltem Schnellarbeitsstahl hergestellt sind.
Wälzlager nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufringe einen Restaustenitgehalt kleiner 3 Prozent aufweisen.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser von in dem Schnellarbeitsstahl enthaltenen Karbiden kleiner 10 Mikrometern ist.
Wälzlager nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufringe eine Härte größer gleich 65 HRC aufweisen.
9. Wälzlager nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastizitätsmodul der Laufringe größer 210 000 MPa ist.
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