DE102022132903A1

DE102022132903A1 - Wälzlagerkäfig und Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerkäfigs

Info

Publication number: DE102022132903A1
Application number: DE102022132903.8A
Authority: DE
Inventors: Torsten Keller; Hermann Geyer; Karolina Pfitzmaier; Vitalij Cascin; Benedikt Schneider; Winfried Ott
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2022-12-12
Filing date: 2022-12-12
Publication date: 2024-06-13
Also published as: WO2024125712A1

Abstract

Ein Wälzlagerkäfig (1), insbesondere für ein Rollenlager, wird hergestellt, indem- aus einem Blechstreifen (2) ein Rohling (3) in die Form eines Rings gebogen wird und die Enden des Blechstreifens (2) miteinander verschweißt werden,- der Rohling (3) auf eine rotationssymmetrische, zum Rohling (3) konzentrische Negativform (6) aufgesetzt wird,- der auf der Negativform (6) befindliche Rohling (3) mittels einer Formrolle (9), deren Rotationsachse (SF) in Relation zur gemeinsamen Mittelachse (MA) des Rohlings (3) sowie der Negativform (6) kippbar ist, durch Drückwalzen mit mehrfachem Überwalzen der zuvor erzeugten Schweißnaht (4) verformt wird,- ausschließlich außerhalb der Schweißnaht (4) Fenster in den Rohling (3) eingebracht werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wälzlagerkäfig, insbesondere für ein Rollenlager, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Käfigs.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Blechkäfigs für Kegelrollenlager ist beispielsweise aus der DE 198 07 160 A1 bekannt. Der Blechkäfig wird danach durch Drückwalzen einer eingespannten Blechronde um ein konisches Werkzeug geformt. Profilnuten des Werkzeugs sollen dafür sorgen, dass sich innenliegende Rippen bilden. In einem weiteren Arbeitsgang werden Taschen, das heißt Fenster, des Blechkäfigs ausgestanzt. Die zuvor geformten Rippen stellen dann Stege mit Führungsflächen für Wälzkörper, das Kegelrollen, dar.
Ein weiteres Verfahren zur Herstellung eines Käfigs für Kegelrollenlager ist in der DE 10 2009 053 090 A1 offenbart. In diesem Fall werden bereits in einem Rohling mehrere Taschen eingebracht, die letztendlich zur Aufnahme der Kegelrollen dienen. Anschließend wird der Rohling derart geformt, dass in axialer Richtung des Rohlings, das heißt des späteren Käfigs, ein Querschnittsprofil entsteht, welches eine vom ersten Rand zum zweiten Rand des Käfigs hin von Null verschiedene Krümmung aufweist. Als Rohling kann nach der DE 10 2009 053 090 A1 entweder ein Rohrabschnitt oder ein Blechstreifen verwendet werden, wobei die Taschen beispielsweise per Laser in den Blechstreifen eingebracht werden können. Erst im Anschluss wird der Blechstreifen zu einem Ring gebogen, wobei die freien Enden des Blechstreifens zum Beispiel durch Schweißen, aber auch durch formschlüssige Verbindungstechniken miteinander verbunden werden können. Am Rand des Käfigs können Umbördelungen oder Rastnasen geformt werden. Die Blechdicke des Käfigs ist nicht notwendigerweise über den gesamten Käfig konstant. Der Käfig nach der DE 10 2009 053 090 A1 ist insbesondere für die Verwendung in Kegelrollenlagern mit besonders großem Druckwinkel konzipiert.
Ein in der DE 10 2013 215 972 A1 beschriebenes Verfahren zum Herstellen eines Käfigs für ein Kegelrollenlager umfasst den Verfahrensschritt Drückwalzen, wobei in dem genannten Dokument auch der Begriff Druckwalzen verwendet wird. Durch das Druckwalzen soll es möglich sein, Anlaufflächen für Wälzkörper bereits während des Schaffens eines topfförmigen Rohlings herzustellen. Das Druckwalzen geschieht mit Hilfe einer Negativform, die als Druckfutter dient. Das Druckfutter definiert wenigstens teilweise die spätere innere Form des Käfigs. Als Ausgangsmaterial für den Käfig wird in der DE 10 2013 215 972 A1 eine Ronde vorgeschlagen. Die Blechstärke der Ronde ist dicker als die Mantelflächenstärke des späteren Käfigs. Als mögliche Verfahrensschritte zur Bearbeitung von Fenstern des Käfigs sind Laserschneiden, Stanzen und Wasserstrahlschneiden genannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Fertigung von Käfigen für Wälzlager, insbesondere große Rollenlager, beispielsweise Kegelrollenlager, Pendelrollenlager oder Axialpendelrollenlager, gegenüber dem genannten Stand der Technik sowohl hinsichtlich eines rationellen Fertigungsablaufs als auch unter den Aspekten des Energieverbrauchs und des Materialverbrauchs weiterzuentwickeln.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein die Merkmale des Anspruchs 1 aufweisendes Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerkäfigs. Mit dem Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 ist ein Wälzlagerkäfig nach Anspruch 7 herstellbar.
Gemäß Anspruch 1 wird der Wälzlagerkäfig hergestellt, indem

- aus einem Blechstreifen ein Rohling in die Form eines Rings gebogen wird und die Enden des Blechstreifens miteinander verschweißt werden,
- der Rohling auf eine rotationssymmetrische, zum Rohling konzentrische Negativform aufgesetzt und dort fixiert wird,
- der auf der Negativform befindliche Rohling mittels einer Formrolle, deren Rotationsachse in Relation zur gemeinsamen Mittelachse des Rohlings sowie der Negativform im Laufe des Verfahrens verkippt wird, durch Drückwalzen mit mehrfachem Überwalzen der zuvor erzeugten Schweißnaht verformt wird,
- ausschließlich außerhalb der Schweißnaht Fenster in den Rohling eingebracht werden.

Der letztgenannte Schritt, das heißt das Einbringen der Fenster, welche innerhalb des späteren Wälzlagers zur Wälzkörperführung vorgesehen sind, kann in einem beliebigen Stadium der Bearbeitung des Rohlings durchgeführt werden. Dies bedeutet, dass es möglich ist, Fenster bereits in dem noch ungekrümmten Blechstreifen zu erzeugen. Ebenso ist es möglich, die Fenster erst dann einzubringen, wenn der Rohling ansonsten bereits die endgültige Form des Wälzlagerkäfigs hat. Als Technologien zum Einbringen der Fenster sind sämtliche an sich für solche Fertigungsschritte bekannte Technologien geeignet. Beispielhaft ist eine Bearbeitung per Laser sowie eine spanlose Bearbeitung durch Stanzen zu nennen. Auch eine spanabhebende Bearbeitung des Rohlings im Bereich der Fenster kommt in Betracht. Insbesondere können die Fenster gefräst werden.
Bei typischen Lager- und Käfiggeometrien liegt der Blechstreifen, aus welchem der ringförmige Rohling und letztlich der Wälzlagerkäfig geformt wird, als schmaler Metallstreifen vor, welcher etwa einer Abwicklung der Mantellinie des Käfigs entspricht. Bei den Fertigungsschritten Biegen und Verschweißen fällt kein Abfall an. Das anschließende Drückwalzen stellt ein inkrementelles Verfahren dar, bei welchem eine Kaltverfestigung auftritt. Hierbei wird die Schweißnaht mindestens zweifach, beispielsweise dreifach, fünffach oder mindestens zehnfach überrollt. Bei jedem einzelnen Überrollvorgang wird typischerweise nur ein Kontakt zwischen einem Abschnitt der Schweißnaht und dem die Schweißnaht überrollenden Werkzeug, das heißt einer Formrolle, hergestellt. Nach Abschluss des Drückwalzens wurde jeder einzelne Punkt der näherungsweise linienförmigen Schweißnaht mindestens doppelt, insbesondere mindestens dreifach, von der Formrolle überrollt. Hierbei spielt es keine Rolle, ob sich beim Überrollen ausschlich eines der beiden Teile Rohling und Formrolle oder beide Teile bewegen. In allen Fällen werden die beiden Teile Rohling und Formrolle während der Bearbeitung nicht nur rotativ, sondern auch linear relativ zueinander bewegt. Insbesondere wird die Formrolle während des Überwalzens der Schweißnaht in Axialrichtung des Rohlings sowie der Negativform relativ zum Rohling verfahren.
Durch das mehrfache Überrollen der Schweißnaht während des Drückwalzens werden in der Schweißnaht unter anderem tangentiale Zugspannungen erzeugt, welche am Fertigteil, das heißt fertigen Wälzlagerkäfig, im bestimmungsgemäßen Betrieb des Wälzlagers nicht auftreten. Somit eignet sich der Umformprozess als 100% Schweißnahtprüfung. Insbesondere würden in der umgeformten Schweißnaht des Fertigteils Fehlstellen, Auszüge oder Risse sichtbar werden.
Die Schweißnaht des Wälzlagerkäfigs ist durch beliebige an sich bekannte Verfahren, beispielsweise MIG-, MAG-, Abbrennstumpf- oder Autogenschweißen, erzeugbar. Eine Nachbearbeitung der Schweißnaht ist, soweit erforderlich, beispielsweise durch Verputzen möglich. Bei diesem Schritt der Nachbearbeitung werden insbesondere scharfe Kanten, Grate, Spitzen und Nasen entfernt oder zumindest abgerundet. Auch ein Glühen der Schweißnaht kann vorgesehen sein. Was mögliche Schweißverfahren betrifft, wird auf die Norm DIN EN ISO 4063:2011-03 „Schweißen und verwandte Prozesse - Liste der Prozesse und Ordnungsnummern“ hingewiesen.
Gemäß einer weiterentwickelten, besonders rationellen Verfahrensvariante wird der Rohling nach dessen Formung in zwei Wälzlagerkäfige zerteilt. Der Rohling stellt in diesem Fall somit einen Doppelrohling dar.
Allgemein umfasst der Wälzlagerkäfig einen geprägten, eine geometrisch nicht abwickelbare Form aufweisenden Stahlblechstreifen, dessen Enden durch eine kaltverformte Schweißnaht miteinander verbunden sind, wobei in dem Stahlblechstreifen mehrere zur Führung von Wälzkörpern, beispielsweise Zylinderrollen, Tonnenrollen oder Kegelrollen, vorgesehene Fenster ausgebildet sind und jedes der Fenster von der Schweißnaht beabstandet ist.
Bei dem Wälzlager, in welchem der Wälzlagerkäfig zum Einsatz kommt, handelt es sich beispielsweise um ein Großlager mit einem Außendurchmesser von mindestens 1.000 mm. Als mögliche Lagerbauformen sind Zylinderrollenlager, Kegelrollenlager und Pendelrollenlager, auch Axialpendelrollenlager, zu nennen.
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen, teilweise vereinfacht:

1 ausschnittsweise einen Käfig für ein Wälzlager in geschnittener perspektivischer Ansicht,
2 einen zur Herstellung eines Wälzlagerkäfigs zu verwendenden Rohling aus Stahlblech,
3 bis 5 in vereinfachter Darstellung Schritte zur Herstellung eines Wälzlagerkäfigs aus einem rohrförmigen Rohling.

Die folgenden Erläuterungen gelten, soweit nicht anders vermerkt, für sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander prinzipiell entsprechende Teile oder geometrische Merkmale sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Ein Wälzlagerkäfig 1 aus Stahlblech ist zur Verwendung in einem nicht weiter dargestellten Wälzlager, in den vorliegenden Fällen einem Rollenlager, vorgesehen. Die Herstellung des Wälzlagerkäfigs 1 geht von einem Blechstreifen 2 aus, welcher zu einem ringförmigen Rohling 3 gebogen wird. Die Ringform des Rohlings 3 wird komplettiert durch eine Schweißnaht 4, welche die beiden Enden des Blechstreifens 2 miteinander verbindet. Die Schweißnaht 4 verläuft in Axialrichtung des Wälzlagerkäfigs 1 und damit des gesamten Lagers. Abweichend hiervon sind auch Ausführungsformen realisierbar, bei welchen die Schweißnaht 4 schräg zur Längsrichtung des Wälzlagers verläuft. In abgewandelten, ebenfalls nicht dargestellten Bauformen greifen die beiden Enden des Blechstreifens 2 durch puzzleartige Konturen formschlüssig ineinander.
In den verschiedenen Ausführungsformen des Wälzlagerkäfigs 1 können Fenster 5, welche Taschen zur Führung von Wälzkörpern, das heißt Rollen, nämlich Zylinderrollen, Kegelrollen oder Tonnenrollen, darstellen, entweder in den noch nicht gebogenen Blechstreifen 2 eingebracht oder in einem späteren Fertigungsstadium erzeugt werden. In jedem Fall ist jedes Fenster 5 von der Schweißnaht 4, egal welche Form diese aufweist, beabstandet. Anders ausgedrückt: Die Schweißnaht 4 endet niemals in einer zur Wälzkörperführung vorgesehenen Tasche 5 des Wälzlagerkäfigs 1. Somit ist ein Kontakt zwischen einem Wälzkörper und der Schweißnaht 4 generell ausgeschlossen.
In dem in den 3 bis 5 illustrierten Fertigungsverfahren kommt eine Negativform 6 zum Einsatz. Die Negativform 6 ist rotationssymmetrisch geformt und um ihre eigene Mittelachse MA rotierbar. Der zunächst zylindrische Rohling 3 wird konzentrisch auf die Negativform 6 aufgesetzt und dort fixiert. Die Negativform 6 wird auch als Drückfutter bezeichnet und in an einer Spindel 7 einer nur ansatzweise dargestellten Fertigungsmaschine 8 eingespannt.
Der Fertigungsmaschine 8 ist weiter eine Formrolle 9 als weiteres Werkzeug - neben der Negativform 6 - zur Formung des Wälzlagerkäfigs 1 zuzurechnen. Die Formrolle 9 ist um ihre Symmetrieachse SF drehbar, wobei die Symmetrieachse SF, das heißt Rotationsachse der Formrolle 9, wie aus 5 hervorgeht, verschiedene Winkeleinstellungen gegenüber der Mittelachse MA der Spindel 7 und damit auch des Rohlings 3 einnehmen kann. Eine Vorschubrichtung VR der Formrolle 9 ist stets parallel zu deren Symmetrieachse SF ausgerichtet. In einem in Axialrichtung betrachtet mittleren Bereich des Rohlings 3 ist eine Parallelität der Achsen MA, SF gegeben. In Richtung zu den Stirnseiten des Rohlings 3 sowie des Drückfutters 6 hin dagegen wird die Symmetrieachse SF der Formrolle 9 in Anpassung an die dort kegelstumpfförmige Form des Drückfutters 6 sowie des späteren Wälzlagerkäfigs 1 um einen Winkel α gegenüber der Mittelachse MA schräggestellt.
Bei der Formung des Wälzlagerkäfigs 1 durch Drückwalzen rotieren der Rohling 3 und die Formrolle 9 gegensinnig. Zugleich verfährt die Formrolle 9 in Axialrichtung der Negativform 6, wobei der Schrägstellungwinkel α der Formrolle 9 in der beschriebenen Weise variiert. Während des Drückwalzens überfährt die Formrolle 9 die Schweißnaht 4 mehrfach, in dem in den 3 bis 5 skizzierten Fall mehr als zehnfach. Hierbei entstehen mehrachsige Spannungszustände in und an der Schweißnaht 4, einschließlich axialer Spannungen und tangentialer Zugspannungen. Bei den letztgenannten Spannungen handelt es sich um Zugspannungen, welche im späteren Betrieb des Wälzlagers, das heißt Rollenlagers, insbesondere Kegelrollenlagers, am Fertigteil, das heißt Wälzlagerkäfig 1, nicht oder höchstens in einem irrelevant geringen Maße auftreten werden. Damit stellt die Kaltverformung und mechanische Belastung der Schweißnaht 4, wie sie durch das Drückwalzen auftritt, ein probates Mittel zur Schweißnahtprüfung dar. Wird die Schweißnaht 4 durch das Drückwalzen nicht beschädigt, so sind auch spätere Beschädigungen beim Betrieb des Wälzlagers, welches den Wälzlagerkäfig 1 umfasst, nicht zu erwarten.
Eine Nachbearbeitung der Schweißnaht 4 kann beispielsweise durch Verputzen oder Glühen erfolgen. Optional kann der gesamte Wälzlagerkäfig 1 zur Verbesserung der Verschleiß-, Gleit- und/oder Korrosionseigenschaften mit einer Beschichtung versehen werden. Beispielhaft sind amorphe kohlenstoffhaltige Schichten sowie Beschichtungen aus Buntmetall zu nennen.
In nicht dargestellter Weise kann der fertiggestellte Rohling 3 nach dessen Formung und Abnahme von der ein- oder mehrteiligen Negativform 6 oder noch während seiner Aufspannung auf der Negativform 6 in zwei Hälften geteilt werden, welche jeweils einen fertigen Wälzlagerkäfig 1 darstellen. Je nach der beim Trennen angewandten Technologie kann in einem solchen Fall eine Nachbearbeitung der an einer der beiden Stirnseiten eines jeden Rohlings 3 vorliegenden Trennstellen, beispielsweise durch Entgraten, vorgesehen sein.
Bezugszeichenliste

1: Wälzlagerkäfig
2: Blechstreifen
3: Rohling
4: Schweißnaht
5: Fenster
6: Negativform, Drückfutter
7: Spindel
8: Fertigungsmaschine
9: Formrolle
α: Schrägstellungswinkel
MA: Mittelachse
SF: Symmetrieachse
VR: Vorschubrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19807160 A1 [0002]
DE 102009053090 A1 [0003]
DE 102013215972 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN ISO 4063:2011-03 [0011]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Wälzlagerkäfigs (1), wobei - aus einem Blechstreifen (2) ein Rohling (3) in die Form eines Rings gebogen wird und die Enden des Blechstreifens (2) miteinander verschweißt werden, - der Rohling (3) auf eine rotationssymmetrische, zum Rohling (3) konzentrische Negativform (6) aufgesetzt wird, - der auf der Negativform (6) befindliche Rohling (3) mittels einer Formrolle (9), deren Rotationsachse (SF) in Relation zur gemeinsamen Mittelachse (MA) des Rohlings (3) sowie der Negativform (6) kippbar ist, durch Drückwalzen mit mehrfachem Überwalzen der zuvor erzeugten Schweißnaht (4) verformt wird, - ausschließlich außerhalb der Schweißnaht (4) Fenster (5) in den Rohling (3) eingebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnaht (4) durch MIG-, MAG-, Abbrennstumpf- oder Autogenschweißen erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Formrolle (9) während des Überwalzens der Schweißnaht (4) in Axialrichtung des Rohlings (3) sowie der Negativform (6) relativ zum Rohling (3) verfahren wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnaht (4) durch Verputzen nachbearbeitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schweißnaht (4) durch Glühen nachbearbeitet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohling (3) nach dessen Formung in zwei Wälzlagerkäfige (1) zerteilt wird.
Wälzlagerkäfig (1), insbesondere hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend einen geprägten, eine geometrisch nicht abwickelbare Form aufweisenden Stahlblechstreifen (2), dessen Enden durch eine kaltverformte Schweißnaht (4) miteinander verbunden sind, wobei in dem Stahlblechstreifen (2) mehrere zur Führung von Wälzkörpern vorgesehene Fenster (5) ausgebildet sind und jedes der Fenster (5) von der Schweißnaht (4) beabstandet ist.
Wälzlagerkäfig (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass dieser zur Verwendung in einem Wälzlager mit einem Außendurchmesser von mindestens 1.000 mm ausgebildet ist.
Wälzlagerkäfig (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieser zur Verwendung in einem Pendelrollenlager ausgebildet ist.
Wälzlagerkäfig (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass dieser zur Verwendung in einem Kegelrollenlager ausgebildet ist.