WO2018082740A1 - Kugelelement für lageranwendungen und verfahren zum herstellen eines solchen - Google Patents

Kugelelement für lageranwendungen und verfahren zum herstellen eines solchen Download PDF

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WO2018082740A1
WO2018082740A1 PCT/DE2017/100918 DE2017100918W WO2018082740A1 WO 2018082740 A1 WO2018082740 A1 WO 2018082740A1 DE 2017100918 W DE2017100918 W DE 2017100918W WO 2018082740 A1 WO2018082740 A1 WO 2018082740A1
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ball element
base body
region
inner region
outer region
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PCT/DE2017/100918
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English (en)
French (fr)
Inventor
Paul WITTMANN
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F16C33/32—Balls
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • 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
    • F16C2220/00—Shaping
    • F16C2220/24—Shaping by built-up welding

Definitions

  • the document US 5,659,956 also describes hollow balls for bearing applications. Such a hollow ball is to be produced in particular by Reibsch dovon two hemispheres. From document US 3,751,123 a ball element is described which has a comparatively light core with a light material or which is designed as a hollow ball. The surface should be made particularly hard by plating.
  • the document US 4,741,632 describes a bearing intended to stabilize the torque of a ball bearing by preventing movement of balls. For this purpose, it is provided that the balls have a mass moment of inertia about their axis of rotation, which is greater than about any other axis. This counteracts rotation about another axis.
  • a ball element with the features of claim 1 and by a method for producing a ball element with the features of claim 6.
  • Preferred embodiments of the invention are described in the subclaims, in the description or the figures, wherein Further features described or shown in the subclaims or in the description or the figures, individually or in any combination, may constitute an object of the invention, if the context does not clearly indicate otherwise.
  • a ball element for a bearing application wherein the ball element has a spherical base body, wherein the spherical base body has an inner region and an outer region enclosing the inner region, wherein the inner region is porous and wherein the outer region is non-porous such that the main body has a closed surface.
  • a ball element described above may have a low weight with high stability.
  • a previously described ball element is used in particular for use in a bearing application, such as in particular in a rolling bearing.
  • the ball element can serve in particular as a rolling element.
  • Specific application examples include, for example, ball elements for ball bearings, roller bearings, screw drives, linear Rolling guides, which according to the invention under the term bearings, such as rolling bearings to be summarized.
  • Ball elements should have a certain property profile in the applications described above. For example, it is advantageous that the weight is low, and furthermore a high stability is advantageous. Particularly in high dynamic applications, such as in high speed applications, high stiffness should be provided so as to prevent deformation during operation.
  • the above-described ball element has a spherical base body.
  • the base body can be exactly spherical and / or can the ball element consist of the base body.
  • the main body has an inner area and an outer area surrounding the inner area.
  • the outer region can completely envelop the inner region, or the inner region can be completely enclosed in the outer region.
  • the inner regions may differ, for example, in porosity or in the material.
  • the inner region differs from the outer region in particular by the structure of the material present in the inner or outer region. There may be a sharp boundary between the inner area and the outer area, or there may be a smooth transition between the inner and the outer area.
  • the inner region is porous and that the outer region is non-porous such that the base body has a closed surface.
  • a low weight can be made possible with a high stability.
  • a porous structure can be understood in particular as meaning a structure in which gas inclusions are present in the material.
  • the presence of a closed surface can be a pore mean free surface and thereby include that on the surface of the body of the outer region is formed only by a closed surface o- by an area with a defined layer thickness. Because the inner region is porous, a structure with a comparatively low weight or a low density can be made possible in a very defined manner instead of a solid material.
  • a porous structure offers significantly increased stability or rigidity.
  • a high rigidity can be generated, which is advantageous in particular given the low weight and can also remain in highly dynamic and high-speed applications.
  • the configuration of the inner region as a porous structure offers the further advantage of high adaptivity.
  • a defined mass distribution within the ball element can be made possible by an approximately homogeneous porous internal structure. This may allow that the rolling or rotational properties of the ball can be adjusted in the desired manner to the intended field of application. This is also a significant advantage over the solutions of the prior art, since an adaptability there usually had to be carried out with a complex process.
  • the configuration that the outer region is non-porous such that the main body has a closed surface may allow the stability to be further enhanced.
  • a high rigidity and thus an advantageous working can be made possible even in highly dynamic and high-speed applications.
  • a ball element mentioned above despite a low weight and high stability have a very smooth surface, which may have a very low friction even at high speed.
  • the ratio between weight and stiffness can be defined or set more flexibly than with comparable solid balls and hollow balls, for example. Because with solid spheres only the diameter and the material are variable, with hollow spheres additionally the wall thickness can be variable.
  • the base body is formed from a uniform material.
  • the main body can be formed of only one material, so that the inner region and the outer region differ only in the structure of the material.
  • there is only one variable with the structure so that in this embodiment, the weight, rotation and stability properties can be adjusted in a particularly defined manner.
  • a particularly simple and defined manufacturability can be made possible, which can reduce the cost of production and thus the cost of production. With regard to the comparatively simple and unproblematic producibility, reference is made to the following description of the method.
  • At least one of the inner region and the outer region is formed of a material selected from the list consisting of steel materials, such as steel 100Cr6, ceramics, such as silicon nitride, or plastic materials.
  • steel materials such as steel 100Cr6, ceramics, such as silicon nitride, or plastic materials.
  • the above-described materials can be used for the aforementioned applications in be advantageous elements. Because the aforementioned materials can also with a porous structure a high stability, such as stiffening resistance, allow, so that in particular an internal porous structure in the above-described materials can be beneficial.
  • ball elements can be made using, in particular, the aforementioned materials using simple and well-defined procedures, as described below with reference to the methods.
  • both the inner region, for example all intended inner regions, and the outer region are formed from a material selected from the list consisting of steel materials, such as the steel 100Cr6, ceramic materials, such as such as silicon nitride, or plastic materials.
  • the base body can thus consist of one of the above-described materials, which can make the advantages of manufacturability particularly effective.
  • the inner region has a porosity in a range of> 0% to ⁇ 100%, preferably in a range of> 50% to ⁇ 90%.
  • the porosity refers to the free volume, ie gas volume or in other words the percentage of pores in% by volume based on the total material and in particular based on the entire inner region or a corresponding layer or layer thereof. It has been found that the aforementioned advantages, in particular of a low weight in combination with a high stability, can be met particularly effectively even in high-speed applications, in particular in this embodiment.
  • the outer and thus non-porous region has a thickness in a range of> 0% to ⁇ 100%, preferably in a range of> 2% to ⁇ 20%, based on the radius of the ball element or the Grundkör
  • This embodiment can allow a particularly high stability to the effect that even with a long-term use under harsh conditions, the surface remains securely closed and thus the advantages of a good rolling behavior remain.
  • the ball element has a high rigidity.
  • the subject of the present invention is furthermore a method for producing a ball element for a bearing application, wherein a spherical base body is formed such that it has an inner area and an outer area surrounding the inner area. It is provided that the inner region is formed porous and that the outer region is formed free of pores such that the main body has a closed surface.
  • the ball element can consist of the base body and / or an inner region or a plurality of inner regions can be produced, which can differ in porosity and / or material.
  • the outer region may be formed to consist of the closed surface or to have a certain thickness that exceeds a mere closed surface.
  • the above-described method allows the production of a ball element which, with a low weight, has a comparatively high stability and a high rigidity.
  • the method described above can be carried out in a particularly simple and defined manner in comparison with the solutions known from the prior art, as described below.
  • a prescribed ball element with comparatively low Production costs produced it may be possible, as described below, to produce the ball element or the main body without joining operations and thus without joints, whereby the transmission of force within the ball can be improved and stress peaks can be avoided.
  • the base body is at least partially formed by an additive method.
  • the main body can be completely molded using an additive method.
  • an additive or generative method can be understood as meaning, in particular, a process in which a component is built up in layers on the basis of digital SD design data by the depositing or building up of material. Examples of such processes include, for example, 3D printing, which often also means laser sintering or laser melting.
  • An additive manufacturing process differs significantly from conventional, erosive manufacturing methods.
  • the components are in particular built up layer by layer from materials or raw materials in additive manufacturing processes, which are present as starting material, in particular fine powder. Such methods are used, for example, in so-called rapid prototyping or in series production.
  • a laser such as a CO 2 laser, an Nd: YAG laser or a fiber laser, or else an electron beam source is used for processing such as, for example, melting the powdery raw material in particular.
  • an additive method offers the particular advantage that the main body or the entire ball element can be produced in a simple manufacturing step without joints. As a result, simple procedures can be implemented, which can reduce the manufacturing costs. Moreover, by an additive process without increasing the manufacturing cost, substantially any porous structure each structure of the inner region or the outer region are made possible, which can further improve adaptability.
  • the ball element of a uniform material or of different materials.
  • the material used it can also be advantageous, in particular in an additive method, that at least one of the inner region and the outer region, for example the entire base body, is formed from a material selected from the list consisting of steel materials, such as steel 100Cr6, ceramic materials such as silicon nitride, or plastic materials. Because the aforementioned materials can be melted equally well in addition to their suitability for the aforementioned applications and thus edit, for example, by an additive method. It may further be preferred that the outer region is formed by melting a previously formed inner region. Also in this embodiment, an unproblematic and defined production can be made possible.
  • a porous base body can first be produced in which the pores are subsequently closed by melting with subsequent cooling of the material.
  • the main body may be produced as an additive or in a conventional manner, for example by a sintering step.
  • the thickness of the outer layer that is the layer which is free of pores in this embodiment after the melting of the material, can be controlled in a defined manner, for example by the heat input.
  • the aforementioned materials can be melted equally well in addition to their suitability for the aforementioned applications and thus work from a porous structure in a non-porous structure by melting.
  • a laser can be used for melting.
  • the outer region is formed by externally compacting a previously formed inner porous region.
  • This embodiment can also serve to close a previously generated porous area and thus to form an outer area which is free of pores. In this case, can be closed by compacting by applying a high pressure in a simple and defined way, the pores, which also may result in a particularly smooth surface.
  • at least one of the inner region and the outer region, for example the entire base body is formed from a material selected from the list consisting of steel materials, such as steel
  • Suitable methods of compaction include, for example, local plastic deformation of the surface, such as by hammering or shot peening.
  • the present invention further relates to the use of a previously described ball element in a rolling bearing or for the production of a rolling bearing.
  • the ball element can be used in particular as a rolling element.
  • a high stability in combination with a light weight of advantage as known in principle to those skilled in lightweight construction or high-dynamic applications is. This results, for example, the advantages that can be realized by the lower stiffness bias, whereby play and slippage can be reduced
  • Specific application examples include, for example ball elements for ball bearings, roller bearings, screw drives, linear roller guides.
  • Fig. 1 is a sectional view through a ball element
  • FIG. 1 shows purely schematically a sectional view through a ball element 10.
  • the ball element 10 is used in particular for use in a rolling bearing.
  • the ball element 10 has a spherical base body 12, wherein the spherical base body 12 has an inner region 14 and an outer region 16 surrounding the inner region 14. It is provided that the inner region 14 is porous and that the outer region 16 is pore-free such that the base body 12 has a closed surface. With respect to the pores, it may be provided that the inner region 14 has a porosity in a range of> 0% to ⁇ 100%, preferably in a range of> 50% to ⁇ 90.
  • the outer region 16 may have a certain thickness, that is, have no pores at a defined radial distance from the surface.
  • the outer area may have a thickness in a range of> 0%. to ⁇ 100%, preferably in a range of> 2% to ⁇ 20%, based on the radius of the ball element 10 or of the main body 12.
  • the base body 12 is formed from a uniform material.
  • the base body 12 may be formed of a material selected from the list consisting of steel materials, such as the steel 100Cr6, ceramics, such as silicon nitride, or plastic materials.
  • Such a ball element 10 can be produced, for example, by an additive or generative method, and thus be formed in layers.
  • a ball element 10 can be produced, as shown in FIG. According to FIG. 2, first of all a base body 12 is produced, which can be completely porous and can have or can consist of the inner region 14. This can be done additively or otherwise. Subsequently, the outer region 16 can be formed by partial melting and / or partial densification of the previously formed inner region 14. In other words, the edge region of the previously generated inner region 14 or base 12 is melted or compacted, whereby the pores close and the edge region of the inner region 14 is formed into the outer region 16.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kugelelement (10) für eine Lageranwendung, wobei das Kugelelement einen kugelförmigen Grundkörper (12) aufweist, wobei der kugelförmige Grundkörper einen inneren Bereich (14) und einen den inneren Bereich umhüllenden äußeren Bereich (16) aufweist, wobei der innere Bereich porös ist und dass der äußere Bereich porenfrei ist derart, dass der Grundkörper eine geschlossene Oberfläche aufweist.

Description

Kugelelement für Lageranwendungen und Verfahren zum Herstellen eines solchen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kugelelement für Lageranwendungen insbesondere mit einer hohen Stabilität und einem leichten Gewicht. Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen eines derartigen Kugelelements.
Kugelelemente für Lageranwendungen sind seit langem bekannt. Vorteile ergeben sich etwa in einer ausgereiften Technik und in einer verlässlichen Anwendung.
Aus dem Dokument US 3,337,278 ist ein Wälzkörper für Hochdrehzahlanwendungen bekannt. Ein derartiger Wälzkörper ist durch eine Hohlform gebildet. Durch eine entsprechend geringere Masse soll die Lebensdauer verbessert werden.
Das Dokument US 5,659,956 beschreibt ebenfalls Hohlkugeln für Lageranwendungen. Eine derartige Hohlkugel soll insbesondere durch Reibschweißverfahren zweier Halbkugeln hergestellt werden. Aus dem Dokument US 3,751 ,123 ist ein Kugelelement beschrieben, welches einen vergleichsweise leichten Kern mit einem leichten Material aufweist, oder welches als Hohlkugel ausgestaltet ist. Die Oberfläche soll durch Plattieren besonders hart ausgestaltet werden. Das Dokument US 4,741 ,632 beschreibt ein Lager, welches durch ein Verhindern einer Bewegung von Kugeln das Drehmoment eines Kugellagers stabilisieren soll. Hierzu ist es vorgesehen, dass die Kugeln ein Masseträgheitsmoment um ihre Drehachse haben, das größer ist, als um jede andere Achse. Dadurch wird einer Rotation um eine andere Achse entgegengewirkt. Dies wird realisiert indem die Kugel von einer exakt kugelförmigen Geometrie abweicht oder durch das Vorsehen von Strukturen in der Kugel. Derartige aus dem Stand der Technik bekannte Lösungen können noch weiteres Verbesserungspotential, insbesondere hinsichtlich der Eigenschaftsmatrix hinsichtlich einer Kombination von geringem Gewicht mit hoher Stabilität, bieten. Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zumindest teilweise zu überwinden. Es ist insbesondere die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung bereitzustellen, durch welche das Gewicht von Kugelelementen bei einer gleichzeitig hohen Stabilität reduziert werden kann.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch ein Kugelelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Herstellen eines Kugelelements mit den Merkmalen des Anspruchs 6. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, in der Beschreibung oder den Figuren be- schrieben, wobei weitere in den Unteransprüchen oder in der Beschreibung oder den Figuren beschriebene oder gezeigte Merkmale einzeln oder in einer beliebigen Kombination einen Gegenstand der Erfindung darstellen können, wenn sich aus dem Kontext nicht eindeutig das Gegenteil ergibt. Es wird vorgeschlagen ein Kugelelement für eine Lageranwendung, wobei das Kugelelement einen kugelförmigen Grundkörper aufweist, wobei der kugelförmige Grundkörper einen inneren Bereich und einen den inneren Bereich umhüllenden äußeren Bereich aufweist, wobei der innere Bereich porös ist und wobei der äußere Bereich porenfrei ist derart, dass der Grundkörper eine geschlossene Oberfläche auf- weist.
Ein vorbeschriebenes Kugelelement kann bei einer hohen Stabilität ein geringes Gewicht aufweisen. Ein vorbeschriebenes Kugelelement dient insbesondere dem Einsatz in einer Lageranwendung, wie insbesondere in einem Wälzlager. Somit kann das Kugelelement insbesondere als Wälzkörper dienen. Konkrete Anwendungsbeispiele umfassen beispielsweise Kugelelemente für Kugellager, Laufrollenlager, Gewindetriebe, Linear- Wälzführungen, welche erfindungsgemäß unter dem Begriff Lager, wie etwa Wälzlager, zusammengefasst werden sollen. Kugelelemente sollten bei den vorbeschriebenen Anwendungen ein bestimmtes Eigenschaftsprofil aufweisen. Beispielsweise ist es von Vorteil, dass das Gewicht gering ist, wobei ferner eine hohe Stabilität von Vor- teil ist. Insbesondere bei hochdynamischen Anwendungen, wie etwa bei Hochdrehzahlanwendungen, sollte eine hohe Steifigkeit gegeben sein, um so etwa eine Verformung während des Betriebs zu verhindern.
Das vorbeschriebene Kugelelement weist einen kugelförmigen Grundkörper auf. Bei- spielsweise kann der Grundkörper exakt kugelförmig sein und/oder kann kann das Kugelelement aus dem Grundkörper bestehen.
Der Grundkörper weist einen inneren Bereich und einen den inneren Bereich umhüllenden äußeren Bereich auf. Beispielsweise kann der äußere Bereich den inneren Be- reich vollständig umhüllen beziehungsweise kann der innere Bereich in dem äußeren Bereich vollständig eingehaust sein. Ferner kann nur ein innerer Bereich und ein äußerer Bereich vorliegen oder es kann ein äußerer porenfreier Bereich vorliegen, der mehrere Lagen von inneren Bereichen umhüllen kann, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Die inneren Bereiche können sich dabei etwa in der Porosität oder in dem Material unterscheiden.
Der innere Bereich unterscheidet sich von dem äußeren Bereich insbesondere durch die Struktur des in dem inneren beziehungsweise äußeren Bereich vorliegenden Materials. Dabei kann eine scharfe Grenze zwischen dem inneren Bereich und dem äu- ßeren Bereich vorliegen, oder es kann ein fließender Übergang zwischen dem inneren und dem äußeren Bereich vorliegen.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass der innere Bereich porös ist und dass der äußere Bereich porenfrei ist derart, dass der Grundkörper eine geschlossene Oberfläche aufweist. Insbesondere in dieser Ausgestaltung kann ein geringes Gewicht mit einer hohen Stabilität ermöglicht werden. Dabei kann unter einer porösen Struktur insbesondere verstanden werden eine Struktur, bei welcher Gaseinschlüsse in dem Material vorliegen. Ferner kann das Vorliegen einer geschlossenen Oberfläche eine poren- freie Oberfläche bedeuten und dabei umfassen, dass an der Oberfläche des Grundkörpers der äußere Bereich gebildet wird nur durch eine geschlossene Oberfläche o- der durch einen Bereich mit einer definierten Schichtdicke. Dadurch, dass der innere Bereich porös ist, kann auf sehr definierte Weise anstelle eines Vollmaterials eine Struktur mit einem vergleichsweise geringen Gewicht beziehungsweise mit einer geringen Dichte ermöglicht werden. Dies kann insbesondere bei Wälzkörpern für Hochdrehzahlanwendungen von signifikantem Vorteil sein, da diese beschleunigt werden müssen und eine Fliehkraftbelastung aufbringen. Gegenüber ei- ner Hohlkugel, wie diese beispielsweise aus dem Stand der Technik bekannt ist, bietet eine poröse Struktur jedoch eine signifikant erhöhte Stabilität beziehungsweise Steifigkeit. Insbesondere kann grundsätzlich bei einer porösen Struktur und insbesondere in Abhängigkeit der gewählten porösen Struktur eine hohe Steifigkeit erzeugt werden, welche insbesondere bei dem geringen Gewicht vorteilhaft ist und auch bei hochdy- namischen und Hochdrehzahlanwendungen bestehen bleiben kann.
Darüber hinaus bietet die Ausgestaltung des inneren Bereichs als poröse Struktur den weiteren Vorteil einer hohen Adaptivität. So kann bei den vorbeschriebenen Kugelelementen durch eine etwa homogene poröse Innenstruktur eine definierte Mas- senverteilung innerhalb des Kugelelements ermöglicht werden. Das kann es erlauben, dass die Roll- beziehungsweise Rotationseigenschaften der Kugel in gewünschter Weise an das vorgesehene Anwendungsgebiet angepasst werden können. Dies ist ebenfalls ein signifikanter Vorteil gegenüber den Lösungen aus dem Stand der Technik, da eine Adaptierbarkeit dort meist mit einem aufwändigen Verfahren durchgeführt werden musste.
Ferner kann die Ausgestaltung, wonach der äußere Bereich porenfrei ist derart, dass der Grundkörper eine geschlossene Oberfläche aufweist, es erlauben, dass die Stabilität weiter gesteigert werden kann. Insbesondere kann auch bei hochdynamischen und Hochdrehzahlanwendungen eine hohe Steifigkeit und dadurch ein vorteilhaftes Arbeiten ermöglicht werden. Ferner kann durch eine geschlossene Oberfläche es ermöglicht werden, dass das Kugelelement in einem reibungsarmen Rollzustand mit der entsprechenden Gegenfläche in Kontakt kommt, so dass ein besonders vorteilhaftes Arbeiten des Kugelelements möglich ist. Beispielsweise kann ein vorbezeichnetes Kugelelement trotz eines geringen Gewichts und einer hohen Stabilität eine sehr glatte Oberfläche aufweisen, was eine sehr geringe Reibung auch bei einer hohen Drehzahl aufweisen kann.
Je nach Aufbau und Dichte der Innenstruktur beziehungsweise des inneren Bereichs in Kombination mit der Dicke der Randschicht beziehungsweise des äußeren Bereichs kann sich eine andere Steifigkeitskennlinie insbesondere in nicht linearer Weise ergeben. Somit kann insbesondere bei einem vorbeschriebenen Kugelelement das Verhältnis zwischen Gewicht und Steifigkeit flexibler definiert beziehungsweise eingestellt werden als etwa bei vergleichbaren Vollkugeln und Hohlkugeln. Denn bei Vollkugeln sind ausschließlich der Durchmesser und der Werkstoff variabel, bei Hohlkugeln kann zusätzlich die Wandstärke variabel sein.
Bevorzugt kann es vorgesehen sein, dass der Grundkörper aus einem einheitlichen Material geformt ist. In anderen Worten kann der Grundkörper aus nur einem Material geformt sein, so dass sich der innere Bereich und der äußere Bereich nur in der Struk- tur des Materials unterscheiden. In dieser Ausgestaltung gibt es mit der Struktur nur eine Variable, so dass in dieser Ausgestaltung auf besonders definierte Weise die Gewichts-, Rotations- und Stabilitätseigenschaften eingestellt werden können. Darüber hinaus kann insbesondere in dieser Ausgestaltung eine besonders einfache und definierte Herstellbarkeit ermöglicht werden, was den Aufwand der Herstellung und damit die Kosten der Herstellung reduzieren kann. Bezüglich der vergleichsweise einfachen und unproblematischen Herstellbarkeit wird auf die nachstehende Beschreibung des Verfahrens verwiesen.
Es kann ferner bevorzugt sein, dass wenigstens einer von dem inneren Bereich und dem äußeren Bereich aus einem Material geformt ist, das ausgewählt ist aus der Liste bestehend aus Stahlwerkstoffen, wie beispielsweise dem Stahl 100Cr6, Keramikwerkstoffen, wie etwa Siliziumnitrid, oder auch Kunststoffwerkstoffen. Insbesondere die vorbeschriebenen Materialien können für die vorgenannten Anwendungen bei Ku- gelelementen von Vorteil sein. Denn die vorgenannten Materialien können auch bei einer porösen Struktur eine hohe Stabilität, wie etwa Versteifungsbeständigkeit, ermöglichen, so dass insbesondere eine innere poröse Struktur bei den vorbeschriebenen Materialien von Vorteil sein kann. Darüber hinaus lassen sich Kugelelemente ins- besondere unter Verwendung der vorgenannten Materialien unter Verwendung einfach und definiert durchführbarer Verfahren herstellen, wie dies nachfolgend mit Bezug auf die Verfahren beschrieben ist.
Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass sowohl der innere Bereich, beispiels- weise sämtliche vorgesehenen inneren Bereiche, als auch der äußere Bereich aus einem Material geformt ist, das ausgewählt ist aus der Liste bestehend aus Stahlwerkstoffen, wie beispielsweise dem Stahl 100Cr6, Keramikwerkstoffen, wie etwa Siliziumnitrid, oder auch Kunststoffwerkstoffen. In dieser Ausgestaltung kann der Grundkörper somit aus einem der vorbeschriebenen Materialien bestehen, was die Vorteile der Herstellbarkeit besonders effektiv ermöglichen kann.
Es kann weiterhin bevorzugt sein, dass der innere Bereich eine Porosität aufweist in einem Bereich von > 0 % bis <100 %, bevorzugt in einem Bereich von > 50 % bis < 90 %. Dabei bezieht sich die Porosität auf das freie Volumen, also Gasvolumen oder in an- deren Worten den Porenanteil in Volumen-% bezogen auf das Gesamtmaterial und dabei insbesondere basierend auf dem gesamten inneren Bereich oder eine entsprechende Schicht beziehungsweise Lage hiervon. Es konnte gefunden werden, dass die vorgenannten Vorteile insbesondere eines geringen Gewichts in Kombination mit einer hohen Stabilität auch bei Hochdrehzahlanwendungen insbesondere in dieser Ausgestaltung besonders effektiv erfüllt werden können.
Weiterhin kann es bevorzugt sein, dass der äußere und somit porenfreie Bereich eine Dicke aufweist in einem Bereich von > 0 % bis < 100 %, bevorzugt in einem Bereich von > 2 % bis < 20 %, bezogen auf den Radius des Kugelelements beziehungsweise des Grundkör- pers. Damit ist insbesondere eine Dicke gemeint, die einem radialen Abstand von der Oberfläche des kugelförmigen Grundkörpers entspricht. Diese Ausgestaltung kann eine besonders hohe Stabilität dahingehend ermöglichen, dass auch bei einer Langzeitanwendung unter harschen Bedingungen die Oberfläche sicher geschlossen bleibt und somit die Vorteile eines guten Abrollverhaltens bestehen bleiben. Darüber hinaus besitzt das Kugelelement insbesondere in dieser Ausgestaltung eine hohe Steifigkeit.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale des Kugelelements wird auf die nachfolgende Beschreibung des Verfahrens, der Verwendung, die Figuren und die Beschreibung der Figuren verwiesen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Kugelelements für eine Lageranwendung, wobei ein kugelförmiger Grundkörper derart geformt wird, dass dieser einen inneren Bereich und einen den inneren Bereich umhüllenden äußeren Bereich aufweist. Dabei ist es vorgesehen, dass der innere Bereich porös geformt wird und dass der äußere Bereich porenfrei geformt wird derart, dass der Grundkörper eine geschlossene Oberfläche aufweist. Beispielsweise kann das Kugelelement aus dem Grundkörper bestehen und/oder kann ein innerer Bereich oder eine Mehrzahl von inneren Bereichen erzeugt werden, welche sich in Porosität und/oder Material unterscheiden können. Ferner kann der äußere Bereich derart geformt werden, dass er aus der geschlossenen Oberfläche besteht oder eine gewisse Dicke aufweist, die über eine bloße geschlossene Oberflä- che hinausgeht.
Durch dieses Verfahren wird somit insbesondere ein Kugelelement hergestellt, wie es vorstehend im Detail beschrieben ist. Dadurch ergeben sich die Vorteile, wie diese vorstehend im Detail offenbart sind. Insbesondere erlaubt das vorbeschriebene Ver- fahren die Herstellung eines Kugelelements, welches bei einem geringen Gewicht eine vergleichsweise hohe Stabilität sowie eine hohe Steifigkeit aufweist. Dabei kann das vorbeschriebene Verfahren im Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen besonders einfach und definiert ausgeführt werden, wie dies nachstehend beschrieben ist. Es ist insbesondere nicht notwendig, wie dies bei den Lö- sungen aus dem Stand der Technik bekannt ist, zunächst zwei Halbkugeln zu formen, welche in einem weiteren Verfahrensschritt miteinander verbunden werden, oder eine geformte Kugel anschließend beispielsweise spanabhebend zu bearbeiten. Im Gegensatz dazu ist ein vorbeschriebenes Kugelelement mit vergleichsweise geringem Herstellungsaufwand erzeugbar. Insbesondere kann es wie nachstehend beschrieben möglich werden, das Kugelelement beziehungsweise den Grundkörper ohne Fügeoperationen und damit ohne Fügestellen zu erzeugen, wodurch die Kraftübertragung innerhalb der Kugel verbessert und Spannungsspitzen vermieden werden kön- nen.
Beispielsweise kann es bevorzugt sein, dass der Grundkörper zumindest teilweise durch ein additives Verfahren geformt wird. Besonders bevorzugt kann der Grundkörper vollständig unter Verwendung eines additiven Verfahrens geformt werden. Unter einem additiven beziehungsweise generativen Verfahren kann dabei insbesondere verstanden werden ein Prozess, bei dem auf der Basis von digitalen SD- Konstruktionsdaten durch das Ablagern beziehungsweise Aufbauen von Material schichtweise ein Bauteil aufgebaut wird. Beispiele für derartige Prozesse umfassen etwa den 3D-Druck, unter welchem oftmals auch Lasersintern beziehungsweise La- serschmelzen verstanden werden. Ein additives Fertigungsverfahren unterscheidet sich deutlich von konventionellen, abtragenden Fertigungsmethoden. Anstatt, wie bei abtragenden Verfahren bekannt, zum Beispiel ein Werkstück aus einem festen Block heraus zu fräsen, werden die Bauteile bei additiven Fertigungsverfahren insbesondere Schicht für Schicht aus Werkstoffen beziehungsweise Rohmaterialien aufgebaut, die als Ausgangsmaterial als insbesondere feines Pulver vorliegen. Anwendung finden derartige Verfahren etwa beim sogenannten Rapid Prototyping oder auch in der Serienproduktion.
Meist kommt zur Bearbeitung wie etwa zum Aufschmelzen des insbesondere pulver- förmigen Rohmaterials ein Laser, wie etwa ein C02-Laser, ein Nd:YAG-Laser oder ein Faserlaser, oder auch eine Elektronenstrahlquelle zum Einsatz.
Unter Verwendung eines additiven Verfahrens bietet sich insbesondere der Vorteil, dass der Grundkörper beziehungsweise das gesamte Kugelelement in einem einfa- chen Herstellungsschritt ohne Fügestellen erzeugt werden kann. Dadurch können einfache Verfahrensabläufe implementiert werden, was den Herstellungsaufwand reduzieren kann. Darüber hinaus kann durch ein additives Verfahren ohne Vergrößerung des Herstellungsaufwands im Wesentlichen jede poröse Struktur beziehungs- weise jede Struktur des inneren Bereichs beziehungsweise des äußeren Bereichs ermöglicht werden, was eine Adaptierbarkeit weiter verbessern kann.
Dabei ist es ferner gleichermaßen möglich, das Kugelelement aus einem einheitlichen Material oder aus unterschiedlichen Materialien zu formen. Bezüglich des verwendeten Materials kann es ferner insbesondere bei einem additiven Verfahren von Vorteil sein, dass wenigstens eines von dem inneren Bereich und dem äußeren Bereich, beispielsweise der gesamte Grundkörper, aus einem Material geformt ist das ausgewählt ist aus der Liste bestehend aus Stahlwerkstoffen, wie beispielsweise dem Stahl 100Cr6, Keramikwerkstoffen, wie etwa Siliziumnitrid, oder auch Kunststoffwerkstoffen. Denn die vorgenannten Materialien lassen sich neben ihrer Eignung für die vorgenannten Anwendungen gleichermaßen gut aufschmelzen und so beispielsweise durch ein additives Verfahren bearbeiten. Es kann ferner bevorzugt sein, dass der äußere Bereich geformt wird durch Aufschmelzen eines zuvor geformten inneren Bereichs. Auch in dieser Ausgestaltung kann eine unproblematische und definierte Herstellung ermöglicht werden. Dabei kann somit zunächst ein poröser Grundkörper erzeugt werden, bei welchem anschließend durch Aufschmelzen mit anschließendem Abkühlen des Materials die Poren ver- schlössen werden. Der Grundkörper kann etwa additiv oder in herkömmlicher Weise, etwa durch einen Sinterschritt, erzeugt werden. Dabei kann die Dicke der äußeren Schicht, also der Schicht, welche in dieser Ausgestaltung nach dem Aufschmelzen des Materials porenfrei ist, etwa durch den Wärmeeintrag in definierter Weise steuerbar sein. Auch in dieser Ausgestaltung kann es von Vorteil sein, dass wenigstens ei- nes von dem inneren Bereich und dem äußeren Bereich, beispielsweise der gesamte Grundkörper, aus einem Material geformt ist das ausgewählt ist aus der Liste bestehend aus Stahlwerkstoffen, wie beispielsweise dem Stahl 100Cr6, Keramikwerkstoffen, wie etwa Siliziumnitrid, oder auch Kunststoffwerkstoffen. Denn die vorgenannten Materialien lassen sich neben ihrer Eignung für die vorgenannten Anwendungen gleichermaßen gut aufschmelzen und so aus einer porösen Struktur in eine porenfreie Struktur mittels Aufschmelzen bearbeiten. Dabei kann zum Aufschmelzen beispielsweise ein Laser verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass der äußere Bereich geformt wird durch äußeres Verdichten eines zuvor geformten inneren porösen Bereichs. Diese Ausgestaltung kann ebenfalls dazu dienen, einen vormals erzeugten porösen Bereich zu schließen und so einen äußeren Bereich zu formen, der porenfrei ist. Dabei kann durch ein Verdichten durch das Anwenden eines hohen Drucks auf einfache und definierte Weise die Poren geschlossen werden, wobei ferner eine besonders glatte Oberfläche entstehen kann. Auch in dieser Ausgestaltung kann es von Vorteil sein, dass wenigstens eines von dem inneren Bereich und dem äußeren Bereich, beispielsweise der gesamte Grundkörper, aus einem Material geformt ist das ausgewählt ist aus der Liste bestehend aus Stahlwerkstoffen, wie beispielsweise dem Stahl
100Cr6, Keramikwerkstoffen, wie etwa Siliziumnitrid, oder auch Kunststoffwerkstoffen. Denn die vorgenannten Materialien lassen sich neben ihrer Eignung für die vorgenannten Anwendungen gleichermaßen gut verdichten und so eine porenfreie Struktur schaffen. Geeignete Verfahren zum Verdichten umfassen beispielsweise lokales plas- tisches Verformen der Oberfläche, etwa durch Hämmern oder Kugelstrahlen.
Grundsätzlich können sich an die vorbeschriebenen Ausgestaltungen weitere Verfahrensschritte anschließen, die etwa einem Härten oder Glätten der Oberfläche dienen können. Beispielsweise zu nennen sind hier Wärmebehandlungsverfahren, Schleifen oder Läppen. Insbesondere nach einem lokalen Verdichtungsvorgang kann eine nachgeschaltete Glättung von Vorteil sein.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale des Verfahrens wird auf die Beschreibung des Kugelelements, der Verwendung, die Figuren und die Beschrei- bung der Figuren verwiesen.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines vorbeschriebenen Kugelelements in einem Wälzlager beziehungsweise für die Herstellung eines Wälzlagers. Somit kann das Kugelelement insbesondere als Wälzkörper Verwendung finden. Insbesondere bei einer derartigen Anwendung kann eine hohe Stabilität in Kombination mit einem leichten Gewicht von Vorteil sein, wie dies grundsätzlich dem Fachmann etwa für Leichtbauzwecke beziehungsweise hochdynamische Anwendungen bekannt ist. Dabei ergeben sich beispielsweise die Vorteile, dass durch die geringere Steifigkeit eine Vorspannung realisiert werden kann, wodurch Spiel und Schlupf reduziert werden kann
Konkrete Anwendungsbeispiele umfassen beispielsweise Kugelelemente für Kugella- ger, Laufrollenlager, Gewindetriebe, Linear-Wälzführungen.
Hinsichtlich weiterer Vorteile und technischer Merkmale der Verwendung wird auf die Beschreibung des Kugelelements, des Verfahrens, die Figuren und die Beschreibung der Figuren verwiesen.
Im Folgenden wird ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert, wobei explizit darauf hingewiesen wird, dass der erfindungsgemäße Gegenstand nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Es zeigt:
Fig. 1 eine Schnittansicht durch ein Kugelelement; und
Fig. 2 eine schematische Darstellung zeigend eine Ausgestaltung eines Verfahrens zum Herstellen eines Kugelelements. In der Figur 1 ist rein schematisch eine Schnittansicht durch ein Kugelelement 10 gezeigt. Das Kugelelement 10 dient insbesondere dem Einsatz in einem Wälzlager.
Das Kugelelement 10 weist einen kugelförmigen Grundkörper 12 auf, wobei der kugelförmige Grundkörper 12 einen inneren Bereich 14 und einen den inneren Bereich 14 umhüllenden äußeren Bereich 16 aufweist. Dabei ist es vorgesehen, dass der innere Bereich 14 porös ist und dass der äußere Bereich 16 porenfrei ist derart, dass der Grundkörper 12 eine geschlossene Oberfläche aufweist. Bezüglich der Poren kann es vorgesehen sein, dass der innere Bereich 14 eine Porosität aufweist in einem Bereich von > 0 % bis < 100 %, bevorzugt in einem Bereich von > 50 % bis < 90.
Insbesondere kann der äußere Bereich 16 eine gewisse Dicke aufweisen, also in einem definierten radialen Abstand von der Oberfläche keine Poren aufweisen. Bei- spielsweis kann der äußere Bereich eine Dicke aufweisen in einem Bereich von > 0 % bis < 100 %, bevorzugt in einem Bereich von > 2 % bis < 20 %, bezogen auf den Radius des Kugelelements 10 beziehungsweise des Grundkörpers 12.
Ferner kann es vorgesehen sein, dass der Grundkörper 12 aus einem einheitlichen Material geformt ist. Beispielsweise kann der Grundkörper 12 aus einem Material geformt sein, das ausgewählt ist aus der Liste bestehend aus Stahlwerkstoffen, wie beispielsweise dem Stahl 100Cr6, Keramikwerkstoffen, wie etwa Siliziumnitrid, oder auch Kunststoffwerkstoffen. Ein derartiges Kugelelement 10 kann beispielsweise durch ein additives beziehungsweise generatives Verfahren herstellbar sein, und damit schichtweise ausgeformt werden.
Alternativ kann ein Kugelelement 10 herstellbar sein, wie dies in der Figur 2 gezeigt ist. Gemäß Figur 2 wird zunächst ein Grundkörper 12 erzeugt, der vollständig porös sein kann und den inneren Bereich 14 aufweisen kann beziehungsweise daraus bestehen kann. Dies kann additiv oder auf andere Weise erfolgen. Anschließend kann der äußere Bereich 16 geformt werden durch teilweises Aufschmelzen und/oder teilweises Verdichten des zuvor geformten inneren Bereichs 14. In anderen Worten wird der Randbereich des zuvor erzeugten inneren Bereichs 14 beziehungsweise Grundkörpers 12 aufgeschmolzen oder verdichtet, wodurch sich die Poren schließen und der Randbereich des inneren Bereichs 14 in den äußeren Bereich 16 umgeformt wird.
Bezuqszeichenliste Kugelelement
Grundkörper
innerer Bereich
äußerer Bereich

Claims

Patentansprüche
1 . Kugelelement für eine Lageranwendung, wobei das Kugelelement (10) einen kugelförmigen Grundkörper (12) aufweist, wobei der kugelförmige Grundkörper (12) einen inneren Bereich (14) und einen den inneren Bereich (14) umhüllenden äußeren Bereich (16) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Bereich (14) porös ist und dass der äußere Bereich (16) porenfrei ist derart, dass der Grundkörper (12) eine geschlossene Oberfläche aufweist.
2. Kugelelement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (12) aus einem einheitlichen Material geformt ist.
3. Kugelelement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer von dem inneren Bereich (14) und dem äußeren Bereich (16) aus einem Material geformt ist, das ausgewählt ist aus der Liste bestehend aus Stahlwerkstoffen, Keramikwerkstoffen oder Kunststoffwerkstoffen.
4. Kugelelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Bereich (14) eine Porosität aufweist in einem Bereich von > 0 % bis <
100 %, bevorzugt in einem Bereich von > 50 % bis < 90.
5. Kugelelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Bereich (16) eine Dicke aufweist in einem Bereich von > 0 % bis < 100 %, bevorzugt in einem Bereich von > 2 % bis < 20 %, bezogen auf den Radius des Kugelelements (10).
6. Verfahren zum Herstellen eines Kugelelements (10) für eine Lageranwendung, wobei ein kugelförmiger Grundkörper (12) derart geformt wird, dass dieser einen inne- ren Bereich (14) und einen den inneren Bereich (14) umhüllenden äußeren Bereich (16) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Bereich (14) porös geformt wird und dass der äußere Bereich (16) porenfrei geformt wird derart, dass der Grundkörper (12) eine geschlossene Oberfläche aufweist.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (12) zumindest teilweise durch ein additives Verfahren geformt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Bereich (16) geformt wird durch Aufschmelzen eines zuvor geformten inneren Be- reichs (14).
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Bereich (16) geformt wird durch äußeres Verdichten eines zuvor geformten porösen inneren Bereichs (14).
10. Verwendung eines Kugelelements (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in einem Wälzlager.
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