WO2024079296A1 - Bauelement für eine mechanische vorrichtung, fertigunsvorrichtung dafür und verfahren zur herstellung eines bauelements - Google Patents

Bauelement für eine mechanische vorrichtung, fertigunsvorrichtung dafür und verfahren zur herstellung eines bauelements Download PDF

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WO2024079296A1
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Matthias STAMMLER
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • F16C33/58—Raceways; Race rings
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Definitions

  • This disclosure relates to a component for a mechanical device, a manufacturing device for manufacturing this component and a method for manufacturing this component.
  • the aim of this disclosure is therefore to provide an improved solution for protecting the holes against corrosion.
  • the component for a mechanical device consists at least partially of steel and has one or more circular recesses, in particular for receiving a screw. Furthermore, for each circular recess, the steel is hardened in a first area immediately surrounding the respective circular recess and the steel in a second area immediately surrounding the first area is unhardened.
  • the component is based on the surprising discovery that steel hardened around recesses is suitable for the production of resistant screw connections. Hardening is already known from the production of large rolling bearings. This hardening takes place in the area of the raceways, which are subjected to constant dynamic loads due to contact with the rolling elements. A softer base material (ring steel) is hardened a few mm from the surface.
  • steel should be discussed here. In the context of this disclosure, this is understood to mean a material whose mass fraction of iron is greater than that of any other element, whose carbon content is generally less than 2% and which contains other elements (see also the definition of steel in EN 10020).
  • induction hardening is particularly suitable for hardening the steel around the recesses.
  • the circular recesses mostly around drill holes.
  • the recesses can also be made by grinding, eroding or cutting (e.g. with a laser).
  • the circular recess is a blind hole.
  • the component alternatively or additionally comprises at least one through hole.
  • the circular recess alternatively or additionally has a thread.
  • Some embodiments of the component alternatively or additionally consist entirely of steel.
  • a surface hardness of the hardened steel in the first area is additionally or alternatively greater than 600 HRV and/or a surface hardness of the unhardened steel in the second area is additionally or alternatively less than 350 HRV.
  • the unit HRV here refers to the scale V of the Rockwell hardness test for surfaces.
  • the hardened steel in the first region alternatively or additionally consists of a material structure that has a martensite content that is greater than 50%.
  • the unhardened steel in the second region consists of a material structure that is a mixed structure.
  • the mixed structure is bainitic and/or martensitic-bainitic.
  • the hardened steel in the first region alternatively or additionally has a thickness of 0.5 to 5 mm. This corresponds to a thickness that can be produced by means of inductive hardening.
  • the component is alternatively or additionally a ring element for a rolling bearing.
  • the component can be either the outer or the inner ring of a rolling bearing. Especially with rolling bearings, corrosion protection of the recesses is advantageous due to the intensive stress.
  • the component has a guide element for guiding a rolling element on an inner side of the ring element and/or on an outer side of the ring element.
  • the outer side is understood to be a side of the component facing away from the axis of symmetry of the ring.
  • the term inner side is understood to be a side of the component facing the axis of symmetry.
  • the one or more circular recesses are arranged in the ring element in such a way that a longitudinal axis of the circular recess runs parallel to the axis of symmetry of the ring element.
  • the axis of symmetry here is usually the axis of rotational symmetry, which runs through a central hole in the ring element.
  • the component is a guide element for guiding a rolling element, it is particularly advantageous to use it in a wind turbine.
  • a wind turbine comprises a rolling bearing with a guide element for guiding a rolling element according to one of the embodiments described above.
  • the rolling bearing is a large rolling bearing, a rotor bearing, a gearbox bearing, a generator bearing
  • This manufacturing device comprises a processing tool, in particular a first processing tool, for inductively hardening the steel in the first area around a circular recess.
  • the first processing tool has the following components: a probe with a probe head and a coil arranged on the probe head, the probe being designed to be inserted into the circular recess, and a displacement unit which is designed to move the probe head along a longitudinal axis of the probe.
  • the manufacturing apparatus further comprises a power supply unit that is electrically connected to the coil and is configured to provide an alternating current.
  • the manufacturing device additionally or alternatively comprises a coil arrangement with a plurality of coils, wherein the plurality of coils are arranged symmetrically, in particular point-symmetrically, around a longitudinal axis of the probe.
  • the symmetry can also be a rotational symmetry in the broader sense, wherein the coils are returned to a position that is congruent with the starting position by means of a rotation through a fixed angle of rotation between 0° and 360°. This is particularly advantageous in order to achieve uniform hardening of the steel in a recess.
  • the device additionally comprises a second processing tool which is designed to carry out a further manufacturing step for producing the component.
  • a device with two processing tools can also be described in simplified form as follows: Manufacturing device for manufacturing a component, comprising a first processing tool and a second processing tool, wherein the first processing tool is designed to harden the steel by means of inductive hardening in the first area around a drill hole, and the second processing tool is designed to carry out a further manufacturing step for manufacturing the component.
  • This device is independent of the exact design of the processing tool for inductive hardening.
  • the first machining tool and the second machining tool are designed to carry out the hardening of the steel and the further manufacturing step simultaneously.
  • the device alternatively or additionally has a common coolant circuit for the first machining tool and the second machining tool.
  • the manufacturing device alternatively or additionally comprises a common displacement element with which the first processing tool and the second processing tool are mechanically connected and which is designed to move the first processing tool and the second processing tool together.
  • the second machining tool comprises a drill which is designed to produce a circular recess.
  • the second machining tool comprises a hardening tool which is designed to harden steel of a guide element for guiding a rolling element by means of induction.
  • the first machining tool alternatively or additionally comprises one or more cooling liquid outlets arranged on the probe such that a cooling liquid film is formed above and/or below the coil, so that sound emissions caused by inductive hardening are reduced.
  • the production of a first circular recess and the hardening of a second circular recess, which is different from the first, are carried out simultaneously.
  • This method is particularly time-efficient.
  • the inductive hardening of the steel alternatively or additionally comprises the following steps:
  • the probe head is moved according to a given speed.
  • an alternating current is provided with a given alternating current intensity.
  • Fig. la shows a component according to the idea of this disclosure with four recesses
  • Fig. lb shows a cross-section of the component shown in Fig. la;
  • Fig. 2a shows a manufacturing device for manufacturing the component shown in Fig. 1a;
  • Fig. 2b shows a coil arrangement of the manufacturing device shown in Fig. 2a;
  • Fig. 3 shows a second manufacturing device for producing the component shown in Fig. la;
  • Fig. 4 shows a method for manufacturing a device according to the idea of this disclosure.
  • Fig. la shows a component 100 according to the idea of this disclosure with four recesses 102-105.
  • Fig. lb shows a cross section of the component 100 shown in Fig. la.
  • the cross section shown in Fig. lb corresponds to the cross section along the plane E shown in Fig. la.
  • the component 100 is a component for a mechanical device, specifically in this example an inner ring of a rolling bearing for a wind turbine.
  • the component 100 consists entirely of steel. In other embodiments, however, the component can also comprise other materials.
  • the component comprises two guide elements 120 and 121 for guiding a rolling element on an inner side S of the component.
  • the guide elements 120 and 121 have a hardened surface, as indicated in Fig. 1b. However, this will not be discussed further below. Rather, the focus will be on the circular recesses 102-105, which are also visible.
  • the component 100 comprises four circular recesses 102-105, here drill holes, for receiving a screw.
  • the circular recesses 102-105 are through holes through which screws can be passed.
  • the recesses have no thread. In other embodiments, however, the recesses can also comprise a thread.
  • the circular recesses are arranged in the component 100 such that a longitudinal axis L of each of the circular recesses runs parallel to the axis of symmetry A of the component.
  • the steel is hardened around a respective circular recess 102-105 in a first area 106-109 immediately surrounding the respective circular recess and is unhardened in a second area 110 immediately surrounding the first area 106-109.
  • the hardening of the steel for producing the component in the first area was carried out by inductive hardening. This ensures that in the first area in this example the hardened steel has a surface hardness of more than 600 HRV, whereas the surface hardness in the second area is less than 350 HRV. Due to the inductive hardening, the material structure in the first area has a martensite content of more than 50%. In contrast, the unhardened steel in the second area has a mixed structure. Furthermore, the first area around the recesses has a thickness D of 5 mm, with the thickness being measured radially from a longitudinal axis L of the respective recess.
  • Fig. 2a shows a manufacturing device 200 for manufacturing the component 100 shown in Fig. 1a.
  • the device 200 comprises a processing tool for inductively hardening the steel in the first area around a circular recess.
  • the processing tool has a probe 202 with a probe head 204 and a plurality of coils arranged on the probe head 204.
  • the probe is elongated and rotationally symmetrical, in particular cylindrical, in order to be able to be inserted into a circular recess.
  • the device 200 also comprises a displacement unit 206 which is designed to move the probe head 204 along a longitudinal axis B of the probe. The direction of travel is also indicated by a double arrow 208.
  • the device 200 comprises a coolant outlet arrangement which comprises a first coolant outlet 210A and a second coolant outlet 210B. Both coolant outlets are arranged on the probe 202 in such a way that a coolant film is formed above and below the probe head 204 with the coil, so that sound emissions caused by inductive hardening are reduced.
  • Fig. 2b shows a coil arrangement 240 of the device shown in Fig. 2a.
  • Fig. 2b shows a cross section through the coil head 204.
  • the coil arrangement 240 comprises eight coils 241-248. These coils are arranged symmetrically around the longitudinal axis B of the probe 202. This is particularly advantageous in order to achieve uniform hardening of the steel around a circular recess.
  • the device 200 can be used to harden the steel around a recess. In many cases, however, it is more economically sensible to carry out the inductive hardening of the steel at the same time as another manufacturing step.
  • a device designed for this purpose is described below with reference to Fig. 3.
  • Fig. 3 shows a second manufacturing device 300 for producing the component 100 shown in Fig. 1a.
  • the device 300 schematically comprises the processing tool from Fig. 2a as the first processing tool 200.
  • the device 300 comprises a second processing tool 304, which is designed to carry out a further manufacturing step for manufacturing the component.
  • the second processing tool 304 is a steel drill that is designed to produce a circular recess.
  • the second processing tool can also be designed, for example, to harden steel of a guide element for guiding a rolling element by means of induction.
  • the processing tools shown in Fig. 3 are designed to harden the steel and drill the steel at the same time.
  • the manufacturing device 300 further comprises a common displacement element 310 with which the first processing tool 200 and the second processing tool 304 are mechanically connected and which is designed to move the first processing tool 200 and the second processing tool 304 together.
  • the displacement element 310 is designed to move the two processing tools in a circle, as indicated by the double arrow 312. Both machining tools can be moved around a ring element, for example. In addition, both machining tools are also designed to be moved around their respective longitudinal axes. This is indicated by arrows 306 and 308.
  • the device 300 also has a common coolant circuit 320.
  • This coolant circuit 320 comprises a collecting container 322 for coolant and a coolant pump 326 as well as a first connecting line 324 from the collecting container 322 to the coolant pump 326.
  • the coolant circuit also comprises a second connecting line 328 and a third connecting line 330, through which the coolant is pumped from the coolant pump 326 to the first machining tool 200 or to the second machining tool 304.
  • Fig. 4 shows a method 400 for producing a device 100 according to the idea of this disclosure.
  • the method comprises the following steps.
  • a circular recess is produced in a component made of unhardened steel for a mechanical device.
  • the steel is inductively hardened in a first region that immediately surrounds the circular recess.
  • the production 402 of a first circular recess and the hardening 404 of a second circular recess that is different from the first are carried out simultaneously.
  • the disclosure describes a component (100) for a mechanical device, wherein the component (100) consists at least partially of steel and has one or more circular recesses (102-105) for receiving a screw.
  • the steel for a respective circular recess (102-105) is hardened in a first region (106-109) immediately surrounding the respective circular recess and unhardened in a second region (110) immediately surrounding the first region.

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Abstract

Die Offenbarung beschreibt ein Bauelement (100) für eine mechanische Vorrichtung, wobei das Bauelement (100) zumindest teilweise aus Stahl besteht, und eine oder mehrere kreisrunde Ausnehmungen (102-105) zur Aufnahme einer Schraube aufweist. Zudem ist der Stahl für eine jeweilige kreisrunde Ausnehmung (102-105) in einem die jeweilige kreisrunde Ausnehmung unmittelbar umgebenden ersten Bereich (106-109) gehärtet und in einem den ersten Bereich unmittelbar umgebenden zweiten Bereich (110) ungehärtet.

Description

BAUELEMENT FÜR EINE MECHANISCHE VORRICHTUNG, FERTIGUNSVORRICHTUNG DAFÜR UND VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES BAUELEMENTS
Diese Offenbarung befasst sich mit einem Bauelement für eine mechanische Vorrichtung, einer Fertigungsvorrichtung zur Fertigung dieses Bauelementes sowie einem Verfahren zur Herstellung dieses Bauelements.
Große Bauteile von Maschinen werden häufig über Schraubverbindungen mit- einander verbunden. Hierfür sind Löcher, im Folgenden auch als Ausnehmun- gen bezeichnet, in den Bauteilen erforderlich. Ist das Basismaterial Stahl und ist die Maschine Umwelteinflüssen wie Regen und Temperaturschwankungen oder dynamischen Belastungen ausgesetzt, kann sich Korrosion in den Lö- chern bilden und der Ausgangspunkt für schnell wachsende Risse im Material sein. Die Folgen einer Ausdehnung der Risse sind fast immer katastrophal, da die Integrität der Maschine nicht mehr gewährleistet ist.
Um den Verlust der Integrität der Maschine zu verhindern, müssen Maschinen kontinuierlich, meist manuell, auf Korrosionen und schnell wachsende Risse überwacht werden. Alternativ ist es zwar möglich die Löcher von innen gegen Korrosionen zu beschichten. Gerade bei großen Konstruktionen ergeben sich aber aus den Toleranzen der einzelnen Bauteile Situationen, in denen eine verwendete Schraube die Wand der Löcher berührt und die Beschichtung schädigen kann. Damit muss auch bei dieser Lösung eine zusätzliche Überwa- chung der Maschine durchgeführt werden. Solch eine Überwachung ist jedoch immer mit großem Aufwand verbunden und bedeutet meist eine Stilllegung der Maschine für eine gewisse Zeit. Sowohl die Überwachung selbst als auch die Stilllegung der Maschine führen dabei zu hohen Kosten.
Das Ziel dieser Offenbarung ist es daher eine verbesserte Lösung für den Schutz der Löcher gegen Korrosion aufzuzeigen.
Dieses Ziel wird erreicht durch das Bauelement für eine mechanische Vorrich- tung gemäß Anspruch 1, die Fertigungsvorrichtung zur Herstellung dieses Bau- elements gemäß Anspruch 8 und dem Verfahren zur Herstellung dieses Bau- elements gemäß Anspruch 15. Bevorzugte Ausführungsformen werden jeweils in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Im Folgenden wird das Bauelement für eine mechanische Vorrichtung gemäß dieser Offenbarung ausführlich beschrieben.
Das Bauelement für eine mechanische Vorrichtung besteht zumindest teil- weise aus Stahl und weist eine oder mehrere kreisrunde Ausnehmungen, ins- besondere zur Aufnahme einer Schraube, auf. Weiterhin ist für eine jeweilige kreisrunde Ausnehmung, der Stahl in einem die jeweilige kreisrunde Ausneh- mung unmittelbar umgebenden ersten Bereich gehärtet und der Stahl in ei- nem den ersten Bereich unmittelbar umgebenden zweiten Bereich ungehär- tet. Das Bauelement basiert auf der überraschenden Erkenntnis, dass um Ausneh- mungen gehärteter Stahl geeignet ist für die Herstellung von widerstandsfähi- gen Schraubverbindungen. Zwar ist eine Härtung bereits aus der Herstellung großer Wälzlager bekannt. Diese Härtung geschieht im Bereich der Laufbah- nen, welche durch die Kontakte mit den Wälzkörpern ständiger dynamischer Belastung ausgesetzt sind. Hierbei wird ein weicheres Grundmaterial (Ring- stahl) von der Oberfläche ausgehend einige mm gehärtet. Die Anwendung dieses Verfahrens auf Ausnehmungen für Schraubverbindungen lag jedoch bisher nicht nahe, denn es ist bekannt, dass im Falle einer fortdauernden, dy- namischen Belastung dieser Laufbahnen im gehärteten Bereich unter der Oberfläche Schäden (Wälzkontaktermüdung) entstehen. Bei den Schäden handelt es sich um Risse, welche sich an Fehlstellen im Materialgefüge bilden und in der Folge durch das Material wandern. Bisher ist man davon ausgegan- gen, dass eine analoge Härtung von Bohrlöchern nicht sinnvoll ist, weil diese Schäden sich bis ins Grundmaterial erstrecken würden und damit auch hier eine Korrosion und schnell wachsende Risse zu befürchten sind. Bei Untersu- chungen dieser Schäden hat sich nun jedoch herausgestellt, dass die Schäden zwar im gehärteten Bereich des Materials fortschreiten, aber nicht in den un- gehärteten Bereich übergehen. D.h. durch die Härtung bleiben die Risse auf einen Bereich nahe der Oberfläche des Bohrlochs beschränkt, was zu einem verbesserten Schutz der Bohrlöcher gegen Korrosion und gegen schnell wach- sende Risse führt.
Im Folgenden werden nun bevorzugte Ausführungsformen des Bauelementes beschrieben.
Zunächst soll an dieser Stelle auf den Begriff Stahl eingegangen werden. Hier- unter wird im Rahmen dieser Offenbarung ein Werkstoff verstanden, dessen Massenanteil an Eisen größer ist als der jedes anderen Elements, dessen Koh- lenstoffgehalt im Allgemeinen kleiner als 2 % ist und der andere Elemente enthält (siehe auch Definition von Stahl in der EN 10020).
Wie bereits oben mit Bezug auf die Wälzlager beschrieben wurde, eignet sich auch für die Härtung des Stahls um die Ausnehmungen herum insbesondere induktives Härten. Weiterhin handelt es sich bei den kreisrunde Ausnehmung meist um Bohrlöcher. Die Ausnehmungen können aber auch durch Schleifen, Erodieren oder Schneiden (bspw. mit Laser) hergestellte werden.
Bei einigen Ausführungsformen handelt es sich bei der kreisrunden Ausneh- mung um ein Sackloch. Bei anderen Ausführungsformen umfasst das Bauele- ment alternativ oder zusätzlich mindestens ein Durchgangsloch. Bei einigen dieser oder anderer Ausführungsformen weist die kreisrunde Ausnehmung al- ternativ oder zusätzlich ein Gewinde auf. Einige Ausführungsformen des Bau- elementes bestehen alternativ oder zusätzlich vollständig aus Stahl.
In einer Ausführungsform des Bauelements ist eine Oberflächenhärte des ge- härteten Stahls im ersten Bereich zusätzlich oder alternativ größer als 600 HRV und/oder eine Oberflächenhärte des ungehärteten Stahl im zweiten Be- reich zusätzlich oder alternativ kleiner als 350 HRV. Die Einheit HRV bezieht sich hier auf die Skala V des Rockwell Härtetests für Oberflächen.
In einer anderen Ausführungsform besteht der gehärtete Stahl im ersten Be- reich alternativ oder zusätzlich aus einem Materialgefüge, das einen Marten- sit-Gehalt aufweist, der größer als 50% ist. Alternativ oder zusätzlich besteht in einigen anderen Ausführungsformen der ungehärtete Stahl im zweiten Be- reich aus einem Materialgefüge, das ein Mischgefüge ist. In einer Variante die- ser Ausführungsform ist das Mischgefüge bainitisch und/oder martensitisch- bainitisch.
In einigen Ausführungsformen weist der gehärtete Stahl im ersten Bereich al- ternativ oder zusätzlich eine Dicke von 0,5 bis 5 mm auf. Dies entspricht einer Dicke, die sich mittels induktivem Härten herstellen lässt.
In einer anderen Ausführungsform ist das Bauelement alternativ oder zusätz- lich ein Ringelement für ein Wälzlager. Dabei kann das Bauelement sowohl der Außen- wie auch der Innenring eines Wälzlagers sein. Gerade bei Wälzla- gern ist ein Korrosionsschutz der Ausnehmungen aufgrund der intensiven Be- anspruchung vorteilhaft. Alternativ oder zusätzlich weist in einigen Varianten dieser Ausführungsform das Bauelement ein Führungselement zur Führung eines Wälzkörpers auf ei- ner Innenseite des Ringelementes und/oder auf einer Außenseite des Ringele- mentes auf. Als Außenseite wird dabei eine von der Symmetrieachse des Rin- ges abgewandte Seite des Bauelementes verstanden. Analog wird unter dem Begriff Innenseite eine der Symmetrieachse zugewandte Seite des Bauele- mentes verstanden.
In einer weiteren Variante der oben beschriebenen Ausführungsform des Bau- elementes sind alternativ oder zusätzlich die eine oder mehreren kreisrunden Ausnehmungen so im Ringelement angeordnet, dass eine Längsachse der kreisrunden Ausnehmung parallel zur Symmetrieachse des Ringelementes verläuft. Die Symmetrieachse ist hier in der Regel die Rotationssymmetrie- achse, die durch ein zentrales Loch des Ringelementes verläuft.
Sofern es sich bei dem Bauelement um ein Führungselement zur Führung ei- nes Wälzkörpers handelt, ist es besonders vorteilhaft dieses in einer Wind- energieanlage zu verwenden. Eine solche Windenergieanlage umfasst ein Wälzlager mit einem Führungselement zur Führung eines Wälzkörpers gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen. Insbesondere ist das Wälz- lager ein Großwälzlager, ein Rotorlager, ein Getriebelager, ein Generatorlager
Im Folgenden wird nun eine Fertigungsvorrichtung zur Fertigung des beschrie- benen Bauelementes vorgestellt. Diese Fertigungsvorrichtung umfasst ein Be- arbeitungswerkzeug, insbesondere ein erstes Bearbeitungswerkzeug, zum in- duktiven Härten des Stahls im ersten Bereich um eine kreisrunde Ausneh- mung. Dazu weist das erste Bearbeitungswerkzeug die folgenden Komponen- ten auf. eine Sonde mit einem Sondenkopf und einer am Sondenkopf angeord- neten Spule, wobei die Sonde ausgebildet ist, in die kreisrunde Aus- nehmung eingeführt zu werden, und eine Verfahreinheit, die ausgebildet ist, den Sondenkopf entlang einer Längsachse der Sonde zu verfahren.
Die Fertigungsvorrichtung hat die gleichen Vorteile, wie das zu fertigende Bau- element. In einigen Ausführungsformen umfasst die Fertigungsvorrichtung zudem eine Stromversorgungseinheit, die elektrisch mit der Spule verbunden ist und aus- gebildet ist, einen Wechselstrom bereitzustellen.
In anderen Ausführungsformen umfasst die Fertigungsvorrichtung zusätzlich oder alternativ eine Spulenanordnung mit einer Vielzahl von Spulen, wobei die Vielzahl von Spulen symmetrisch, insbesondere punktsymmetrisch, um eine Längsachse der Sonde angeordnet sind. Bei der Symmetrie kann es sich aber auch um eine Drehsymmetrie im weiteren Sinne handeln, wobei mittels einer Drehung um einen festen Drehwinkel zwischen 0° und 360° die Spulen wieder in eine mit der Ausgangsposition deckungsgleiche Lage versetzt wer- den. Dies ist besonders vorteilhaft, um eine gleichmäßige Härtung des Stahls in einer Ausnehmung zu erreichen.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zusätzlich ein zweites Bearbeitungswerkzeug, das ausgebildet ist, einen weiteren Ferti- gungsschritt zur Fertigung des Bauelementes durchzuführen.
Alternativ kann eine Vorrichtung mit zwei Bearbeitungswerkzeugen verein- facht auch wie folgt beschrieben werden: Fertigungsvorrichtung zur Fertigung eines Bauelementes, umfassend ein erstes Bearbeitungswerkzeug und ein zweites Bearbeitungswerkzeug, wobei das erste Bearbeitungswerkzeug ausge- bildet ist, mittels induktiver Härtung im ersten Bereich um ein Bohrloch den Stahl zu härten, und das zweite Bearbeitungswerkzeug ausgebildet ist, einen weiteren Fertigungsschritt zur Fertigung des Bauelementes durchzuführen. Diese Vorrichtung ist unabhängig von der genauen Ausgestaltung des Bearbei- tungswerkzeuges zum induktiven Härten.
In einer Variante der oben beschriebenen Ausführungsform sind das erste Be- arbeitungswerkzeug und das zweite Bearbeitungswerkzeug ausgebildet, das Härten des Stahls und den weiteren Fertigungsschritt gleichzeitig auszufüh- ren.
In einer anderen Variante weist die Vorrichtung alternativ oder zusätzlich ei- nen gemeinsamen Kühlmittelkreislauf für das erste Bearbeitungswerkzeug und das zweite Bearbeitungswerkzeug auf. In einer noch anderen Variante umfasst die Fertigungsvorrichtung alternativ oder zusätzlich ein gemeinsames Verfahrelement mit dem das erste Bearbei- tungswerkzeug und das zweite Bearbeitungswerkzeug mechanisch verbunden sind und das ausgebildet ist, das erste Bearbeitungswerkzeug und das zweite Bearbeitungswerkzeug gemeinsam zu verfahren.
In einer weiteren Variante umfasst das zweite Bearbeitungswerkzeug einen Bohrer, der ausgebildet ist eine kreisrunde Ausnehmung herzustellen. Alter- nativ oder zusätzlich umfasst das zweite Bearbeitungswerkzeug ein Härtungs- werkzeug, das ausgebildet ist, mittels Induktion Stahl eines Führungselemen- tes zur Führung eines Wälzkörpers zu härten.
In einer noch anderen Ausführungsform umfasst das erste Bearbeitungswerk- zeug alternativ oder zusätzlich ein oder mehrere Kühlflüssigkeitsauslässe, die so an der Sonde angeordnet sind, dass sich ein Kühlflüssigkeitsfilm oberhalb und/oder unterhalb der Spule bildet, so dass eine durch ein induktives Härten verursachte Schallemission reduziert wird.
Im Folgenden wird nun ein Verfahren zur Herstellung eines oben beschriebe- nen Bauelementes beschrieben. Das Verfahren umfasst dabei die folgenden Schritte:
Herstellen einer kreisrunden Ausnehmung in einem Bauelement aus ungehärtetem Stahl für eine mechanische Vorrichtung, und Induktives Härten des Stahls in einem ersten Bereich, der die kreis- runde Ausnehmung unmittelbar umgibt.
In einer bevorzugten Ausführungsform dieses Verfahrens wird das Herstellen einer ersten kreisrunden Ausnehmung und das Härten einer zweiten, von der ersten verschiedenen kreisrunden Ausnehmung gleichzeitig durchgeführt. Diese Verfahrensführung ist besonders zeiteffizient.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das induktive Härten des Stahls alternativ oder zusätzlich die folgenden Schritte:
Bereitstellen eines Wechselstroms durch eine Spule in einem Son- denkopf einer Sonde, Positionierung des Sondenkopfes an einem ersten Ende eines Bohr- lochs, und
Verfahren des Sondenkopfes entlang einer Längsachse des Bohrlochs von vom ersten Ende des Bohrlochs zu einem zweiten, vom ersten Ende verschiedenen Ende des Bohrlochs.
In einer Version dieser Ausführungsform erfolgt das Verfahren des Son- denkopfes entsprechend einer gegebenen Geschwindigkeit. In einer anderen Version erfolgt das Bereitstellen eines Wechselstroms mit einer gegebenen Wechselstromstärke.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele anhand beigefügter Figuren be- schrieben. Dazu wird zunächst eine Übersicht über die Figuren gegeben. Im Anschluss wird im Detail auf das in den Figuren Gezeigte eingegangen.
Fig. la zeigt ein Bauelement gemäß der Idee dieser Offenbarung mit vier Ausnehmungen;
Fig. lb zeigt einen Querschnitt des in Fig. la gezeigten Bauelementes;
Fig. 2a zeigt eine Fertigungsvorrichtung zur Fertigung des in Fig. la ge- zeigten Bauelementes;
Fig. 2b zeigt eine Spulenanordnung der in Fig. 2a gezeigten Fertigungsvor- richtung;
Fig. 3 zeigt eine zweite Fertigungsvorrichtung zur Herstellung des in Fig. la gezeigten Bauelementes; und
Fig. 4 zeigt ein Verfahren zur Herstellung eines Bauelementes gemäß der Idee dieser Offenbarung.
Im Folgenden wird das in den Figuren Gezeigte im Detail beschrieben. Dabei wird zunächst auf das in Fig. la und Fig. lb gezeigte Bauelement eingegangen. Fig. la zeigt ein Bauelement 100 gemäß der Idee dieser Offenbarung mit vier Ausnehmungen 102-105. Fig. lb zeigt einen Querschnitt des in Fig. la gezeig- ten Bauelementes 100. Der in Fig. lb gezeigte Querschnitt entspricht dem Querschnitt entlang der in Fig. la eingezeichneten Ebene E.
Bei dem Bauelement 100 handelt es sich um ein Bauelement für eine mecha- nische Vorrichtung, speziell in diesem Beispiel um einen Innenring eines Wälz- lagers für eine Windenergieanlage. Das Bauelement 100 besteht in dieser bei- spielshaften Ausführungsform vollständig aus Stahl. In anderen Ausführungs- formen können aber auch noch andere Materialien vom Bauelement umfasst werden.
Das Bauelement umfasst zwei Führungselemente 120 und 121 zur Führung ei- nes Wälzkörpers auf einer Innenseite S des Bauelementes. Die Führungsele- mente 120 und 121 verfügen über eine gehärtete Oberfläche, wie in Fig. lb angedeutet ist. Diese soll im Folgenden jedoch nicht weiter besprechen wer- den. Vielmehr soll es um die ebenfalls sichtbaren kreisrunden Ausnehmungen 102-105 gehen.
Das Bauelement 100 umfasst vier kreisrunde Ausnehmungen 102-105, hier Bohrlöcher, zur Aufnahme einer Schraube. Bei den kreisrunden Ausnehmun- gen 102-105 handelt es sich um Durchgangslöcher, durch die Schrauben ge- führt werden können. Bei dem in Fig. la und Fig. lb gezeigten Beispiel haben die Ausnehmungen kein Gewinde. In anderen Ausführungsformen können die Ausnehmungen jedoch auch ein Gewinde umfassen. Die kreisrunden Ausneh- mungen sind so im Bauelement 100 angeordnet, dass eine Längsachse L jeder der kreisrunden Ausnehmungen parallel zur Symmetrieachse A des Bauele- mentes verläuft.
Weiterhin ist der Stahl um eine jeweilige kreisrunde Ausnehmung 102-105 in einem die jeweilige kreisrunde Ausnehmung unmittelbar umgebenden ersten Bereich 106-109 gehärtet und in einem den ersten Bereich 106-109 unmittel- bar umgebenden zweiten Bereich 110 ungehärtet. Die Härtung des Stahls zur Herstellung des Bauelements im ersten Bereich erfolgte dabei durch indukti- ves Härten. Dadurch wird erreicht, dass im ersten Bereich in diesem Beispiel der gehärtete Stahl eine Oberflächenhärte von mehr als 600 HRV besitzt, wo- hingegen die Oberflächenharte im zweiten Bereich weniger als 350 HRV be- trägt. Durch das induktive Härten handelt es sich im ersten Bereich um ein Materialgefüge, das einen Martensit-Gehalt aufweist, der größer als 50% ist. Demgegenüber handelt es sich beim ungehärteten Stahl im zweiten Bereich um ein Mischgefüge. Weiterhin weist der erste Bereich um die Ausnehmun- gen eine Dicke D von 5 mm auf, wobei die Dicke hier radial von einer Längs- achse L der jeweiligen Ausnehmung gemessen wird.
Im Folgenden werden nun Fertigungsvorrichtungen zur Herstellung des Bau- elementes 100 anhand der Fig. 2a und 2b sowie der Fig. 3 beschrieben.
Fig. 2a zeigt eine Fertigungsvorrichtung 200 zur Fertigung des in Fig. la gezeig- ten Bauelementes 100.
Die Vorrichtung 200 umfasst dabei ein Bearbeitungswerkzeug zum induktiven Härten des Stahls im ersten Bereich um eine kreisrunde Ausnehmung. Das Be- arbeitungswerkzeug weist dazu eine Sonde 202 mit einem Sondenkopf 204 und einer am Sondenkopf 204 angeordnete Vielzahl von Spule auf. Die Sonde ist in diesem Fall länglich und rotationssymmetrisch, insbesondere zylindrisch, ausgebildet, um in eine kreisrunde Ausnehmung eingeführt werden zu kön- nen. Weiterhin umfasst die Vorrichtung 200 eine Verfahreinheit 206, die aus- gebildet ist, den Sondenkopf 204 entlang einer Längsachse B der Sonde zu verfahren. Die Verfahrrichtung ist auch mit einem Doppelpfeil 208 angedeu- tet. Zudem umfasst die Vorrichtung 200 eine Kühlflüssigkeitsauslassanord- nung, die einen ersten Kühlflüssigkeitsauslass 210A und einen zweiten Kühl- flüssigkeitsauslass 210B umfasst. Beide Kühlflüssigkeitsauslässe sind dabei so an der Sonde 202 angeordnet, dass sich ein Kühlflüssigkeitsfilm oberhalb und unterhalb des Sondenkopfes 204 mit der Spule bildet, dass eine durch ein in- duktives Härten verursachte Schallemission reduziert wird.
Im Folgenden soll nun auf die Anordnung der Vielzahl von Spulen mit Bezug auf Fig. 2b eingegangen werden.
Fig. 2b zeigt eine Spulenanordnung 240 der in Fig. 2a gezeigten Vorrichtung. Fig. 2b zeigt dabei einen Querschnitt durch den Spulenkopf 204. Die Spulenanordnung 240 umfasst dabei acht Spulen 241-248. Diese Spulen sind symmetrisch um die Längsachse B der Sonde 202 angeordnet. Dies ist be- sonders vorteilhaft, um eine gleichmäßige Härtung des Stahls um eine kreis- runde Ausnehmung zu erreichen.
Mittels der Vorrichtung 200 kann der Stahl um eine Ausnehmung gehärtet werden. In vielen Fällen ist es jedoch ökonomisch sinnvoller, die induktive Härtung des Stahls gleichzeitig mit einem anderen Fertigungsschritt durchzu- führen. Eine Vorrichtung die hierfür ausgebildet ist, wird im Folgenden mit Be- zug auf Fig. 3 beschrieben.
Fig. 3 zeigt eine zweite Fertigungsvorrichtung 300 zur Herstellung des in Fig. la gezeigten Bauelementes 100.
Die Vorrichtung 300 umfasst schematisch dargestellt das Bearbeitungswerk- zeug aus Fig. 2a als erstes Bearbeitungswerkzeug 200. Zudem umfasst die Vor- richtung 300 ein zweites Bearbeitungswerkzeug 304, das ausgebildet ist, einen weiteren Fertigungsschritt zur Fertigung des Bauelementes durchzuführen. Bei dem zweiten Bearbeitungswerkzeug 304 handelt es sich bei dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel um einen Stahlbohrer, der ausgebildet ist, eine kreisrunde Ausnehmung herzustellen. In anderen Ausführungsformen kann das zweite Bearbeitungswerkzeug aber auch beispielsweise ausgebildet sein, mittels In- duktion Stahl eines Führungselementes zur Führung eines Wälzkörpers zu här- ten. Insbesondere sind die in Fig. 3 gezeigten Bearbeitungswerkzeuge jedoch ausgebildet, das Härten des Stahls und das Bohren des Stahls gleichzeitig aus- zuführen.
Die Fertigungsvorrichtung 300 umfasst weiterhin ein gemeinsames Ver- fahrelement 310 mit dem das erste Bearbeitungswerkzeug 200 und das zweite Bearbeitungswerkzeug 304 mechanisch verbunden sind und das ausge- bildet ist, das erste Bearbeitungswerkzeug 200 und das zweite Bearbeitungs- werkzeug 304 gemeinsam zu verfahren. In dem in Fig. 3 gezeigten Beispiel ist das Verfahrelement 310 ausgebildet, die beiden Bearbeitungswerkzeuge in ei- nem Kreis zu verfahren, wie mit dem Doppelpfeil 312 angedeutet ist. So kön- nen beide Bearbeitungswerkzeuge beispielsweise um ein Ringelement herum- gefahren werden. Zudem sind beide Bearbeitungswerkzeuge auch ausgebil- det, um ihre jeweilige Längsachse verfahren zu werden. Dies ist durch die Pfeile 306 und 308 angedeutet.
Zusätzlich zu einem gemeinsamen Verfahrelement 310 weist die Vorrichtung 300 auch einen gemeinsamen Kühlmittelkreislauf 320 auf. Dieser Kühlmittel- kreislauf 320 umfasst ein Auffangbehältnis 322 für Kühlflüssigkeit und eine Kühlflüssigkeitspumpe 326 sowie eine erste Verbindungsleitung 324 vom Auf- fangbehältnis 322 zur Kühlflüssigkeitspumpe 326. Weiterhin umfasst der Kühl- mittelkreislauf eine zweite Verbindungsleitung 328 und eine dritte Verbin- dungsleitung 330, durch die das Kühlmittel von der Kühlmittelpumpe 326 zum ersten Bearbeitungswerkzeug 200 bzw. zum zweiten Bearbeitungswerkzeug 304 gepumpt wird.
Abschließend soll noch in Bezug auf Fig. 4 ein Verfahren zur Herstellung des in Fig. la und Fig. lb gezeigten Bauelementes 100 besprochen werden.
Fig. 4 zeigt ein Verfahren 400 zur Herstellung eines Bauelementes 100 gemäß der Idee dieser Offenbarung.
Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte. In einem ersten Schritt 402 wird eine kreisrunde Ausnehmung in einem Bauelement aus ungehärtetem Stahl für eine mechanische Vorrichtung hergestellt. In einem zweiten Schritt 404 wird der Stahl in einem ersten Bereich, der die kreisrunde Ausnehmung unmittelbar umgibt, induktiv gehärtet. In einer besonders bevorzugten Ver- fahrensweise wird das Herstellen 402 einer ersten kreisrunden Ausnehmung und das Härten 404 einer zweiten, von der ersten verschiedenen kreisrunden Ausnehmung gleichzeitig durchgeführt wird.
Zusammenfassend beschreibt die Offenbarung ein Bauelement (100) für eine mechanische Vorrichtung, wobei das Bauelement (100) zumindest teilweise aus Stahl besteht, und eine oder mehrere kreisrunde Ausnehmungen (102- 105) zur Aufnahme einer Schraube aufweist. Zudem ist der Stahl für eine je- weilige kreisrunde Ausnehmung (102-105) in einem die jeweilige kreisrunde Ausnehmung unmittelbar umgebenden ersten Bereich (106-109) gehärtet und in einem den ersten Bereich unmittelbar umgebenden zweiten Bereich (110) ungehärtet.

Claims

Ansprüche
1. Bauelement (100) für eine mechanische Vorrichtung, wobei das Bauelement (100) zumindest teilweise aus Stahl besteht, und eine oder mehrere kreisrunde Ausnehmungen (102-105) zur Aufnahme einer Schraube, insbesondere zur Herstellung einer Schraubverbindung, auf- weist, wobei für eine jeweilige kreisrunde Ausnehmung (102-105), der Stahl in ei- nem die jeweilige kreisrunde Ausnehmung unmittelbar umgebenden ersten Bereich (106-109) gehärtet ist und der Stahl in einem den ersten Bereich un- mittelbar umgebenden zweiten Bereich (110) ungehärtet ist.
2. Bauelement (100) nach Anspruch 1, wobei eine Oberflächenhärte des gehärteten Stahls im ersten Bereich (106-109) größer ist als 600 HRV und/o- der eine Oberflächenhärte des ungehärteten Stahls im zweiten Bereich (110) kleiner als 350 HRV ist.
3. Bauelement (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der gehärtete Stahl im ersten Bereich (102-105) aus einem Materialgefüge besteht, das einen Martensit-Gehalt aufweist, der größer als 50% ist, und/oder der ungehärtete Stahl im zweiten Bereich (110) aus einem Materialgefüge besteht, das ein Mischgefüge ist.
4. Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der gehärtete Stahl im ersten Bereich (106-109) eine Dicke (D) von 0,5 bis 5 mm aufweist.
5. Bauelement (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bauelement (100) ein Ringelement für ein Wälzlager ist.
6. Bauelement (100) nach Anspruch 5, wobei das Bauelement (100) ein Führungselement (120, 121) zur Führung eines Wälzkörpers auf einer Innen- seite (S) des Ringelementes oder auf einer Außenseite des Ringelementes auf- weist.
7. Bauelement (100) nach Anspruch 5 oder 6, wobei die ein oder mehre- ren kreisrunden Ausnehmungen (102-105) so im Ringelement angeordnet sind, dass eine Längsachse (L) der kreisrunden Ausnehmung parallel zur Sym- metrieachse (A) des Ringelementes verläuft.
8. Fertigungsvorrichtung (200) zur Fertigung eines Bauelementes (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: ein erstes Bearbeitungswerkzeug zum induktiven Härten des Stahls im ersten Bereich um eine kreisrunde Ausnehmung, wobei das erste Bearbei- tungswerkzeug aufweist: eine Sonde (202) mit einem Sondenkopf (204) und einer am Son- denkopf (204) angeordneten Spule, wobei die Sonde (202) ausgebildet ist, in die kreisrunde Ausnehmung eingeführt zu werden, und eine Verfahreinheit (206), die ausgebildet ist, den Sondenkopf (204) entlang einer Längsachse (B) der Sonde zu verfahren.
9. Fertigungsvorrichtung (300) nach Anspruch 8, umfassend ein zweites Bearbeitungswerkzeug (304), das ausgebildet ist, einen weiteren Fertigungs- schritt zur Fertigung des Bauelementes (100) durchzuführen.
10. Fertigungsvorrichtung (300) nach Anspruch 9, wobei das erste Bearbei- tungswerkzeug (200) und das zweite Bearbeitungswerkzeug (304) ausgebildet sind, das Härten des Stahls und den weiteren Fertigungsschritt gleichzeitig auszuführen.
11. Fertigungsvorrichtung (300) nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Vor- richtung (300) einen gemeinsamen Kühlmittelkreislauf (320) für das erste Be- arbeitungswerkzeug (200) und das zweite Bearbeitungswerkzeug (304) auf- weist.
12. Fertigungsvorrichtung (300) nach Anspruch 9 bis 11, umfassend ein ge- meinsames Verfahrelement (312) mit dem das erste Bearbeitungswerkzeug (200) und das zweite Bearbeitungswerkzeug (304) mechanisch verbunden sind und das ausgebildet ist, das erste Bearbeitungswerkzeug (200) und das zweite Bearbeitungswerkzeug (304) gemeinsam zu verfahren.
13. Fertigungsvorrichtung (300) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das zweite Bearbeitungswerkzeug (304) einen Bohrer umfasst, der aus- gebildet ist eine kreisrunde Ausnehmung herzustellen und/oder das zweite Bearbeitungswerkzeug (304) ein Härtungswerkzeug um- fasst, das ausgebildet ist, mittels Induktion Stahl eines Führungselementes (120, 121) zur Führung eines Wälzkörpers zu härten.
14. Fertigungsvorrichtung (200) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei das erste Bearbeitungswerkzeug ein oder mehrere Kühlflüssigkeitsauslässe (210A, 210B) umfasst, die so an der Sonde (202) angeordnet sind, dass sich ein Kühlflüssigkeitsfilm oberhalb und/oder unterhalb der Spule bildet, so dass eine durch ein induktives Härten verursachte Schallemission reduziert wird.
15. Verfahren (400) zur Herstellung eines Bauelementes (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, umfassend die folgenden Schritte:
Herstellen einer kreisrunden Ausnehmung in einem Bauelement aus ungehärtetem Stahl für eine mechanische Vorrichtung (402),
Induktives Härten des Stahls in einem ersten Bereich, der die kreis- runde Ausnehmung unmittelbar umgibt (404).
16. Verfahren (404) nach Anspruch 15, wobei das Herstellen einer ersten kreisrunden Ausnehmung und das Härten einer zweiten, von der ersten ver- schiedenen kreisrunden Ausnehmung gleichzeitig durchgeführt wird.
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