DE102008011893A1

DE102008011893A1 - Verfahren zur Herstellung einer Lageranordnung und Lageranordnung

Info

Publication number: DE102008011893A1
Application number: DE102008011893A
Authority: DE
Inventors: Alexander Dilje; Helmut Hauck; Holger Kristandt
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2008-02-29
Filing date: 2008-02-29
Publication date: 2009-09-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lageranordnung (1), die einen Lagerträger (2) umfasst, an bzw. in dem mindestens ein Lageraußenring (3) mit einer Laufbahn (4) angeordnet ist, wobei a) zunächst aus einem umformbaren oder urformbaren Material, insbesondere aus einem Blechteil, der Lagerträger (2) gebildet und b) dann der Lageraußenring (3) aus dem Material des Lagerträgers (2) ausgebildet wird. Um in kostengünstiger Weise eine präzise Geometrie der Laufbahn zu erreichen, sieht die Erfindung vor, dass c) nach der Ausbildung des Lageraußenrings (3) eine Feinbearbeitung der Laufbahn (4) durch einen Prozess erfolgt, bei dem mittels Elektrizität und/oder chemischer Reaktionen ein Materialabtrag von der Oberfläche der Laufbahn (4) stattfindet. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Lageranordnung.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lageranordnung, die einen Lagerträger umfasst, an bzw. in dem mindestens ein Lageraußenring mit einer Laufbahn angeordnet ist, wobei a) zunächst aus einem umformbaren oder urformbaren Material, insbesondere aus einem Blechteil, der Lagerträger (2) gebildet und b) dann der Lageraußenring aus dem Material des Lagerträgers ausgebildet wird. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Lageranordnung.
Eine Lageranordnung dieser Art ist aus der DE 199 61 224 A1 bekannt. Hier wird aus einem Blech ein Lagerträger geformt, der im montierten Zustand – insbesondere in einem PKW-Getriebe – ähnlich einer Gehäusewand fungiert. Mittels eines Lagers im Lagerträger wird dann mindestens eine Getriebewelle gelagert. Dabei ist vorgesehen, dass ein Lagerring für ein Wälzlager direkt aus dem Material des Blechs geformt wird, das den Lagerträger bildet. Der aus dem Blech des Lagerträgers geformte Lagerring weist eine Laufbahn auf, die bei der genannten Publikation zylindrisch ausgebildet ist; damit fungiert der Lagerring als Außenring eines Zylinderrollenlagers.
Der Lagerträger selber wird dann zumeist mittels einer Schraubverbindung mit einem Getriebegehäuse verbunden.
Die genannte Lösung stellt mithin eine alternative Ausgestaltung zu der bekannten Lagerträgerausbildung dar, bei der in ein Lagerträgerblech Lageraußenringe von Wälzlagern eingesetzt und fixiert werden. Hier definiert der Lageraußenring die Qualität der Lagerung; er wird in bekannter Weise mechanisch spanend bearbeitet.
Nachteilig ist bei der oben beschriebenen und vorbekannten Lösung, dass die zumeist durch einen Tiefziehvorgang hergestellte Laufbahn des Lagers hinsichtlich ihrer Maß-, Lage- und insbesondere Formtoleranz für anspruchsvolle Lagerstellen – wie sie insbesondere bei PKW-Getrieben benötigt werden – nicht ausreichend ist. Es ist zwar grundsätzlich möglich, die Laufbahn durch eine mechanische Nachbearbeitung bezüglich ihrer Abmessungen, ihrer Lage und ihrer Form in gewissem Umfang nachzubearbeiten. Dies allerdings stellt einen relativ hohen Kostenaufwand dar, der in der Großserie zumeist nicht tragbar ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung einer Lageranordnung sowie eine Lageranordnung der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass es in wirtschaftlicher Weise möglich wird, die Lageranordnung mit hoher Qualität herzustellen. Dies soll mit hoher Prozesssicherheit möglich werden, so dass das Verfahren auch für die Großserienfertigung tauglich ist.
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist verfahrensgemäß dadurch gekennzeichnet, dass nach der Ausbildung des Lageraußenrings aus dem Material des Lagerträgers eine Feinbearbeitung der Laufbahn durch einen Prozess erfolgt, bei dem mittels Elektrizität und/oder chemischer Reaktionen ein Materialabtrag von der Oberfläche der Laufbahn stattfindet.
Es ist also vorgesehen, dass eine Nachbearbeitung der Laufbahn des Lageraußenrings erfolgt, allerdings nicht mit klassischer mechanischer Bearbeitung, sondern spanlos.
Bevorzugt wird die Feinbearbeitung der Laufbahn durch elektrochemisches Abtragen (ECM) vorgenommen.
Die Ausformung des Lageraußenrings aus dem Material des Lagerträgers erfolgt bevorzugt durch einen Umformvorgang.
Nach der Ausformung des Lageraußenrings aus dem Material des Lagerträger und der genannten Feinbearbeitung erfolgt zumeist eine Wärmebehandlung der Oberfläche der Laufbahn. Hierbei handelt es sich bevorzugt um ein Härten, insbesondere um ein Einsatzhärten. Bei dem Harten kann es sich aber auch um ein partielles Harten handeln, insbesondere um ein Induktionshärten oder um ein Laserhärten; ebenfalls möglich ist es, dass das das Harten ein Durchhärten, insbesondere ein martensitisches oder bainitisches Harten, ist. Der Härtevorgang erstreckt sich zumindest auf den Bereich der späteren Lagerlaufbahnen.
Die genannte Feinbearbeitung kann auch so erfolgen und durch die Fertigungsparameter entsprechend gesteuert werden, dass sich auf der Oberfläche der Laufbahn eine gewünschte Oberflächenrauhigkeit ausbildet.
Eine weitere Verfahrensvariante stellt darauf ab, dass die Feinbearbeitung nach dem Materialabtrag von der Oberfläche der Laufbahn so erfolgt, dass durch vorhergehende Prozesse entstandene Konturen verändert werden. Hierbei ist namentlich an das Glätten von Kanten oder an ein Entgraten gedacht.
Die Lageranordnung, die einen Lagerträger umfasst, an bzw. in dem mindestens ein Lageraußenring mit einer Laufbahn angeordnet ist, wobei der Lagerträger und der Lageraußenring einstückig miteinander aus dem Material des Lagerträgers ausgebildet sind, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass die Laufbahn des Lageraußenrings durch einen Prozess feinbearbeitet ist, bei dem mittels Elektrizität und/oder chemischer Reaktionen ein Materialabtrag von der Oberfläche der Laufbahn stattfindet. Dabei handelt es sich bevorzugt um ein elektrochemisches Abtragen (ECM).
Der Lagerträger besteht bevorzugt aus Stahlblech. Der Lageraußenring kann Bestandteil eines Wälzlagers sein.
Die Lageranordnung ist vorzugsweise Bestandteil eines PKW-Getriebes.
Mit der vorgeschlagenen Vorgehensweise ist es möglich, in sehr wirtschaftlicher Weise einen Lagerträger der eingangs genannten Art zu fertigen, der sich durch eine präzise Geometrie insbesondere hinsichtlich der Lage und Form der Laufbahn des Lagerrings auszeichnet.
Das Verfahren arbeitet prozesssicher und ist in einfacher Weise umsetzbar.
Es ist nur ein weiterer Arbeitsgang nach dem Härten nötig, durch den die Form, das Maß und die gewünschte Oberfläche der Laufbahn gebildet wird. Auch ein Entgraten oder Konturieren des Lageraußenrings oder gar des Lagerträgers selber ist problemlos im gleichen Prozess möglich.
Möglich ist es ferner, in einfacher Weise eine Mikrostrukturierung der Oberfläche der Laufbahn gemäß gewünschter Vorgaben zu erzeugen, was insbesondere die Oberflächenrauhigkeit anbelangt. Damit kann eine verbesserte Schmierfilmbildung ohne weiteren zusätzlichen (Zeit)Aufwand erreicht werden.
Das vorgesehene Verfahren kann mit geringem maschinellen Aufwand umgesetzt werden und arbeitet umweltverträglich.
Vorteilhaft ist schließlich, dass es zu keiner thermischen Beeinflussung des Bauteils kommt, wenn das elektrische oder elektrochemische Abtragen zum Einsatz kommt. Mithin ist auch der Verzug des Lagerträgers minimal.
Der Erfindungsvorschlag wird zumeist beim Einsatz eines Blechs als Lagerträger zum Einsatz kommen. Es ist aber auch möglich, dass generell ein umformbares oder ein urformbares Material als solches für den Lagerträger zum Einsatz kommt. Insofern kann der erfindungsgemäße Vorschlag auch auf Guss-, Schmiede- oder auch auf thixogeformte Teile angewendet werden, was insbesondere dann interessant ist, wenn diese Materialien durch den Herstellungsprozess so genau ausgeformt sind, dass sie keiner spanenden Nachbearbeitung bedürfen. Das gilt insbesondere für den Feinguss oder für das Thixoforming.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 eine perspektivische Darstellung eines Teils eines Lagerträgers mit einem in den Lagerträger integrierten Wälzlager und
2 den Radialschnitt durch einen Teil des Lagerträgers samt angeformtem Lageraußenring.
In den Figuren ist eine Lageranordnung 1 zu sehen, die Bestandteil eines PKW-Getriebes ist. Die Lageranordnung 1 weist einen Lagerträger 2 auf, der aus einem ebenen Blechteil gebildet wird. Hierbei werden durch Stanzen und Umformen/Tiefziehen die in 1 zu erkennenden Ausformungen insbesondere im Randbereich des Lagerträgers 2 geformt.
Wesentlich ist, dass auch der Außenring 3 der Lageranordnung 1 (von dem in den Figuren nur einer dargestellt ist) aus dem Material des Lagerträgers 2 direkt ausgeformt ist. Durch einen Umformvorgang wird z. B. die Struktur geschaffen, die aus den Figuren ersichtlich ist.
Die Lageranordnung weist mindestens ein Lager 5 auf, das vorliegend als Wälzlager ausgebildet sind. In an sich bekannter Weise wirkt also der Lageraußenring 3 und ein Lagerinnenring 6 über Wälzkörper zwischen ihnen zusammen, die von einem Käfig 7 in definierter relativer Position gehalten werden. Zur präzisen Führung der Wälzkörper weist der Lageraußenring 3 eine Laufbahn 4 auf, die aus 2 ersichtlich ist.
Nachdem aus einer Stahlblechplatine der Lagerträger 2 geformt und anschließend der Lageraußenring 3 aus dem Material des Lagerträgers 2 ausgebildet wurde, wird die Laufbahn 4 des Außenrings 3 einer Feinbearbeitung durch einen Prozess unterzogen, bei dem mittels Elektrizität und/oder chemischer Reaktionen ein Materialabtrag von der Oberfläche der Laufbahn 4 stattfindet.
Dabei ist insbesondere an das elektrochemische Abtragen gedacht (ECM: Electro Chemical Machining), das dazu geeignet ist, komplexe Geometrien präzise zu erzeugen. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass kein direkter Kontakt zwischen dem Werkzeug 8 (s. 2) und dem Werkstück, also dem Lageraußenring 3, dessen Laufbahn 4 bearbeitet werden soll, stattfindet.
Daher werden – im Unterschied zur klassischen mechanischen Bearbeitung – keine mechanischen Kräfte übertragen, so dass Werkstoffeigenschaften, wie Härte oder Zähigkeit, keinen Einfluss auf den Prozess haben. Von Bedeutung sind vielmehr hier Eigenschaften wie Schmelzpunkt, Wärme- und elektrische Leitfähigkeit.
Zwischen dem Werkstück 3 und dem Werkzeug 8 liegt eine elektrische Spannung an. In 2 ist schematisch eingezeichnet, dass ein elektrischer Stromkreis über die elektrische Energiequelle 9 gegeben ist.
Das Werkstück, d. h. hier der Lageraußenring 3, wird als Anode positiv und das Werkzeug 8 als Kathode negativ polarisiert. Um den dafür erforderlichen Stromfluss zu erzeugen, dient die äußere Spannungsquelle 9.
In manchen Fällen kann auch ein elektrochemisches Ätzen eingesetzt werden (die Potentialdifferenz im Mikrobereich dient hier als innere Spannungsquelle, um den gewünschten Materialabtrag zu erreichen).
Die Form 10 des Werkzeugs 8, also der Kathode, gibt die Form des Werkstückes vor. Das elektrochemische Abtragen ist also ein abbildendes Verfahren. Am Werkzeug 8 findet prozessbedingt kein Verschleiß statt. Zwischen Werkzeug 8 und Werkstück 3 muss in Abhängigkeit von den elektrischen Parametern und von den Strömungsverhältnissen des eingesetzten Elektrolyts ein Spalt s (s. 2) eingestellt werden. Die Spaltweite beträgt meist zwischen 0,05 mm und 1 mm.
Den Ladungstransport im Arbeitsspalt übernimmt eine Elektrolytlösung. Dabei handelt es sich beispielsweise um eine wässrige Lösung von Natriumchlorid (NaCl, Kochsalzlösung) oder Natriumnitrat (NaNO₃).
Der entstehende Elektronenstrom löst Metallionen vom Werkstück 3. Die gelösten Metallionen gehen dann an der Anode Reaktionen mit Teilen des gespaltenen Elektrolyts ein. An der Kathode reagiert der Elektrolytrest mit Wasser.
Als Endprodukt fällt Metallhydroxid an, welches sich als Schlamm absetzt und entfernt werden kann.
Die erzielbaren Oberflächengüten liegen bei R_z = 3 μm bis 10 μm. Die Randzonen werden nicht beeinflusst (es handelt sich also um ein trennendes Verfahren ohne Randzoneneinfluss). Der spezifische Abtrag beträgt 1 bis 2,5 mm³/A min. Das Elektrolyt kann durch Zentrifugieren aufbereitet werden, um die Metallhydroxide von der Elektrolytlösung zu trennen. Der anfallende Schlamm wird mit Filterpressen weiter entwässert und dann als Sondermüll entsorgt.
Das Elektrochemische Abtragen (ECM) ist also ein Verfahren zur Bearbeitung elektrisch leitfähiger Werkstücke, die einen gezielten Werkstoffabtrag verlangen. Materialien, bei denen ECM angewendet werden kann, sind beispielsweise Kohlenstoffstähle und austenitische Stähle.

1: Lageranordnung
2: Lagerträger
3: Lageraußenring
4: Laufbahn
5: Lager (Wälzlager)
6: Lagerinnenring
7: Käfig
8: Werkzeug
9: elektrische Energiequelle
10: Form des Werkzeugs
s: Spalt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19961224 A1 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Lageranordnung (1), die einen Lagerträger (2) umfasst, an bzw. in dem mindestens ein Lageraußenring (3) mit einer Laufbahn (4) angeordnet ist, wobei a) zunächst aus einem umformbaren oder urformbaren Material, insbesondere aus einem Blechteil, der Lagerträger (2) gebildet und b) dann der Lageraußenring (3) aus dem Material des Lagerträgers (2) ausgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass c) nach der Ausbildung des Lageraußenrings (3) eine Feinbearbeitung der Laufbahn (4) durch einen Prozess erfolgt, bei dem mittels Elektrizität und/oder chemischer Reaktionen ein Materialabtrag von der Oberfläche der Laufbahn (4) stattfindet.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinbearbeitung der Laufbahn (4) durch elektrochemisches Abtragen (ECM) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausformung des Lageraußenrings (3) aus dem Material des Lagerträgers (2) durch einen Umformvorgang erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt b) und vor Schritt c) gemäß Anspruch 1 eine Wärmebehandlung der Oberfläche der Laufbahn (4) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmebehandlung der Oberfläche der Laufbahn (4) ein Harten ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Härten ein Einsatzhärten ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Härten ein partielles Härten, insbesondere ein Induktionshärten oder ein Laserhärten, ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Härten ein Durchhärten, insbesondere ein martensitisches oder bainitisches Härten, ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinbearbeitung nach Schritt c) gemäß Anspruch 1 so erfolgt, dass sich auf der Oberfläche der Laufbahn (4) eine gewünschte Oberflächenrauhigkeit ausbildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Feinbearbeitung nach Schritt c) gemäß Anspruch 1 so erfolgt, dass durch vorhergehende Prozesse entstandene Konturen verändert werden.
Lageranordnung (1), die einen Lagerträger (2) umfasst, an bzw. in dem mindestens ein Lageraußenring (3) mit einer Laufbahn (4) angeordnet ist, wobei der Lagerträger (2) und der Lageraußenring (3) einstückig miteinander aus dem Material des Lagerträgers (2) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbahn (4) des Lageraußenrings (3) durch einen Prozess feinbearbeitet ist, bei dem mittels Elektrizität und/oder chemischer Reaktionen ein Materialabtrag von der Oberfläche der Laufbahn (4) stattfindet.
Lageranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Laufbahn (4) des Lageraußenrings (3) durch elektrochemisches Abtragen (ECM) feinbearbeitet ist.
Lageranordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerträger (2) aus einem umformbaren oder urformbaren Material, insbesondere aus Stahlblech, besteht.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Lageraußenring (3) Bestandteil eines Wälzlagers ist.
Lageranordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass sie Bestandteil eines PKW-Getriebes ist.