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TECHNISCHES
GEBIET
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Ausbildung von Stahlteilen und
insbesondere ein Verfahren zum Bilden von Stahl-Rollenlagern. Ganz
speziell betrifft die vorliegende Erfindung das Verfahren der Endbearbeitung
von Rollenlagern mit einer minimalen Anzahl an Bearbeitungsschritten.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Hochbelastbare
Stahllagerteile aus hochfesten Stählen sind in der Autoindustrie
für eine
Vielzahl von Anwendungen wie z. B. Rollenlager, die in hydraulischen
Ventilstößeln und
Rollenschlepphebeln für
Fahrzeugmotoren enthalten sind, weit verbreitet. Kritische Merkmale
dieser Rollenlager wie z. B. ihre Innen- und Außendurchmesser und Stirnseiten-Flächen müssen auf
enge technischen Toleranzen gefertigt und endbearbeitet werden,
um die Leistung zu optimieren, den Verschleiß zu minimieren und die Lebensdauer
des Teils zu verlängern,
der extremen Motorbetriebsbedingungen ausgesetzt ist. Der Bedarf an
hochfesten Stählen,
die mit exakten Toleranzen gefertigt und endbearbeitet werden, wurde
mit der Anwendung von kleineren Motoren mit höherem Wirkungsgrad in modernen
Fahrzeugen noch größer.
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Rollenlager
werden typischerweise aus kohlenstoffreichem Stahl durch Heiß- oder
Warmschmiedeverfahren oder durch Bearbeitung von Stabmaterial gefertigt.
Heißschmieden
erfordert zuerst ein Erhitzen eines Stahlrohlings in seinem vorgeformten
Zustand auf eine Temperatur von etwa 871°C bis 1093°C (1600–2000°F), um eine Formbarkeit zu erlauben.
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Im
Stand der Technik gut bekannte mechanische Formungsverfahren, wie
z. B. Stauchschmieden, Anstauchen und Strangpressen werden dann verwendet,
um die Form des Teils nahe an die letztlich gewünschte Form zu bringen. Auf
Grund der aus dem Hochtemperatur-Vorwärmverfahren resultierenden
Oberflächenverzunderung
und wegen der Größenzunahme
des Teils, wenn es abkühlt
ist ein wesentlicher Aufwand an Endbearbeitung erforderlich, um
seine erforderlichen Abmessungen zu erzielen. Zum Beispiel müssen die
parallelen Stirnseiten-Flächen
des Teils auf ihr/e Endabmessungen und Oberflächenfinish bearbeitet werden.
Dann werden, unter Verwendung der endbearbeiteten Stirnseiten-Flächen als
Bezug, die Innen- und Außendurchmesser auf
ihre Roh- und Endabmessungen bearbeitet und die Oberfläche typischerweise
durch Spitzenlosschleifen endbearbeitet. Wegen der Menge an Material,
die zu entfernen ist, muss die Bearbeitung oft in mehreren Schritten
durchgeführt
werden, umfassend Schruppen, um das Teil auf seine allgemein gewünschte Form
zu bringen, Schleifen, um das Teil nahe an seine festgelegten Abmessungen
zu bringen, und Honen, um das Teil innerhalb seiner Endmaßtoleranzen
zu bringen und ein gewünschtes Oberflächenfinish
zu erhalten. In dem Fall einer Innendurchmesserfläche des
Rollenlagers kann ein weiterer Schritt hinzugefügt werden, um ein gewünschtes
Oberflächenmuster
zu erzielen, wie z. B. Kreuzschleifen, um die Verteilung von Schmieröl auf seiner
Oberfläche
zu optimieren. Diese zusätzlichen zeitintensiven
Bearbeitungsschritte erfordern eine Menge von Teilemanipulation
und Werkzeugeinstellung und die Verwendung von kostspieligen Werkzeugmaschinen
und Facharbeit, um die Werkzeuge zu bedienen. Darüber hinaus
können
die zusätzlichen
Bearbeitungsschritte wesentliche Schwankungen von Teil zu Teil erzeugen,
was das Leistungsvermögen
und den Verschleiß eines
Teils negativ beeinflusst.
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Warmschmieden
erfordert, dass der Stahlrohling zuerst auf eine niedrigere Temperatur
erwärmt
wird als bei Heißformungsverfahren,
typischerweise etwa 149–871°C (300–1600°F), bevor das
Teil durch Anwendung eines der oben beschriebenen Formungsverfahren
mechanisch verformt wird. Während
auf Grund der in dem Warmschmiedeverfahren verwendeten relativ niedrigeren
Temperaturen typischerweise keine Oberflächenverzunderung auftritt,
erfolgt sehr wohl eine Größenzunahme Teiles,
wenn das Teil abkühlt.
Im Ergebnis ist noch immer ein wesentlicher Betrag an Bearbeitung
und Endbearbeitung der Stirnseiten-Flächen und der Innen- und Außendurchmesser
erforderlich.
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Eine
Bearbeitung des Teils auf die erforderlichen Abmessungen aus einem
Stabmaterial vermeidet die Ausgaben und mögliche Gefahren, die bestehen,
wenn der Rohling vor dem Formen vorgewärmt werden muss. Die Zykluszeiten
sind jedoch typischerweise wesentlich länger als die Heiß- oder Warmschmiedeverfahren,
da mehr Material entfernt werden muss, um die gewünschten
Endabmessungen zu erreichen. Darüber
hinaus muss eine größere Menge
Material bevorratet werden, um das Teil zu fertigen, und eine beträchtliche
Menge an Material wird in Form von Metallspänen verschwendet. Kostspielige
Werkzeugmaschinen sind erforderlich, und die Ergebnisse aus den
Bearbeitungsschritten können
von Teil zu Teil stark schwanken. Da auch wesentlich mehr Bearbeitung
und Endbearbeitung des Teils erforderlich ist, werden die Kosten
für das
Produkt auf Grund der höheren
Kosten für
Facharbeit und des mit der Bearbeitung und Endbearbeitung verbundenen
zusätzlichen
Energieverbrauchs erheblich erhöht.
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Die
US-A-5 878 496 offenbart ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff von Anspruch
1.
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Kaltformungsverfahren
werden bei Temperaturen durchgeführt,
die von der Umgebungstemperatur bis zu etwa 149°C (300°F) reichen und umfassen Verfahren
wie Stauchschmieden, Anstauchen und Strangpressen. Kaltformungsverfahren
bieten gegenüber
den oben erwähnten
Verfahren insofern viele Vorteile, als das geformte Teil fast „endformnah" ist, das heißt, viele
der aus dem Kaltformungsverfahren resultierenden Teileabmessungen
benötigen
keine weitere Bearbeitung, um eine gewünschte Endabmessung zu erzielen.
Ein geeignetes Kaltformungsverfahren weist gegenüber bisher bekannten Kaltformungsverfahren
insofern Vorteile auf, als es einen Rohling aus kohlenstoffreichem
hochfestem Stahl verwendet, der ein ausgezeichnetes Verschleißleistungsvermögen bereitstellt.
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1 ist
ein Flussdiagramm, das die Schritte eines Verfahrens nach dem Stand
der Technik zur Fertigung eines Rollenlagers zeigt. In Schritt 1-A wird ein
Rohling, der durch irgendeines von den oben beschriebenen Formungs-,
Schmiede- oder Bearbeitungsverfahren erzeugt werden kann, bereitgestellt. In
Schritt 1-B werden die Stirnseiten auf ein festgelegtes
Finish geschliffen, typischerweise durch Halten der Rohlinge und
Durchziehen zwischen den Scheiben eines Doppelscheibenschleifers
wie z. B. eines Besley-Schleifers. Da im Stand der Technik die endbearbeiteten
Stirnseiten-Flächen
den Bezug für nachfolgende
Schleifschritte bereitstellen, um die festgelegten Außen- und
Innendurchmesser des Lagers zu erhalten, ist es außerordentlich
wichtig, dass die Stirnseiten sorgfältig senkrecht zu der Achse
des Lagers und parallel zueinander geschliffen werden. Somit ist
es auf Grund der notwendigen Genauigkeit erforderlich, die Flächen der
Schleifscheiben häufig zu überprüfen und
zu erneuern.
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In
Schritt 1-C werden die zylindrischen Seitenflächen der
Rohlinge mit endbearbeiteten Stirnseiten-Flächen grob geschliffen, um einen
annähernden
Außendurchmesser
für das
Lager bereitzustellen. Dieser Arbeits schritt wird typischerweise
an mehreren Stücken
gleichzeitig mit Hilfe einer spitzenlosen Schleifmaschine wie z.
B. einer Cincinnati Milacron Modell 230-10-Maschine, erhältlich von
Milacron Co., Cincinnati, Ohio, durchgeführt. Da die mehreren Stücke Stirnseite
zu Stirnseite entlang ihrer Achsen ausgerichtet sein müssen, wenn
die Stücke die
spitzenlose Schleifmaschine durchlaufen, ist die Genauigkeit des
endbearbeiteten Außendurchmessers
von der Genauigkeit abhängig,
mit der Schritt 1-B beendet wurde. In einem darauf folgenden
getrennten Schritt 1-D wird der Außendurchmesser des Lagers auf
eine festgelegte endbearbeitete Fläche fein geschliffen, wiederum
mit Hilfe der spitzenlosen Cincinnati Milacron Schleifmaschine,
wobei man wiederum auf die Genauigkeit von Schritt 1-B angewiesen
ist.
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In
Schritt 1-E wird die Bohrung oder der Innendurchmesser
des Lagers mit Hilfe z. B. einer Heald Innenschleifmaschine geschliffen.
Um diesen Schritt zu beenden, muss das Lager zuerst in der Schleifmaschine
befestigt werden, indem es an der endbearbeiteten Außendurchmesserfläche des
Lagers gehalten oder „festgespannt" wird. Dieser Schritt
ist ein zeitaufwändiger
Vorgang, der eine strenge Kontrolle erfordert und jeweils für einen
Teil ausgeführt
wird. Obwohl die erforderliche Zeit zum Schleifen eines jeden Teils
nach der Vorbereitung der Maschine nur etwa 20 Sekunden beträgt, benötigt das
vorhergehende Schleifen der Spannvorrichtung, das notwendig ist,
um enge Toleranzen zu erzielen, bis zu vier Stunden. In dem letzten
Schritt 1-F wird die Lagerwölbung unter hohen Anforderungen
an die Präzision,
mit Hilfe eines spitzenlosen Schleifers wie z. B. der Cincinnati
Milacron-Maschine geschliffen. Da die Teile Stirnseite zu Stirnseite
ausgerichtet sind, um diesen Schritt zu beenden, ist die aus diesem Schritt
erzielte Genauigkeit wiederum von der Genauigkeit abhängig, mit
der Schritt 1-B beendet wurde.
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Zwischen
jedem dieser Schritte erfolgt typischerweise eine Überprüfung des
Lagers, um sicherzustellen, dass der vorangegangene Schritt korrekt beendet
wurde.
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Bis
zu dieser Erfindung war man der Meinung, dass es notwendig sei,
die Bearbeitungs- und Endbearbeitungsverfahren an einem Rollenlager
mit Hilfe mehrerer Schritte, umfassend das Präzisionsschleifen von parallelen
Stirnseiten-Flächen
und Bearbeiten, Endbearbeiten und Wölben des Außendurchmessers des Rollenlagers
in getrennten Schritten an einer spitzenlosen Schleifmaschine durchzuführen. Im
Stand der Technik besteht Bedarf an einem Verfahren zur Fertigung
eines hochbelastbaren Lagerteils unter Verwendung einer minimalen
Anzahl von Endbearbeitungs- und/oder Bearbeitungsschritten. Weiters
besteht Bedarf an einem hochbelastbaren Lagerteil, das den Verschnitt
und demzufolge die Verschwendung von Rohstoffen minimiert. Weiters besteht
im Stand der Technik Bedarf an einem Verfahren zur Erzeugung eines
hochbelastbaren Lagerteils, das mit engen Maßtoleranzen mit einer minimalen
Schwankung von Teil zu Teil erzeugt werden kann. Das Verfahren der
vorliegenden Erfindung stellt diese Bedürfnisse zufrieden.
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Man
war der Meinung, dass zur Sicherstellung enger Maßtoleranzen
und einer präzisen
Endbearbeitung der Innen- und Außendurchmesser des Lagers die
Schritte der Bearbeitung und Endbearbeitung der Stirnflächen des
Lagers zuerst beendet sein müssten,
und danach die Bearbeitung, Endbearbeitung und Wölbung des Außendurchmessers
an einer spitzenlosen Schleifmaschine erfolgen müsste. Bisher fehlte ein Verfahren
zur Bearbeitung von Stahl-Rollenlagern mit einer minimalen Anzahl
von Schritten.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bilden eines Metall-,
vorzugsweise Stahl-Rollenlagers, das den Umfang an Zeit, die verbraucht
wird, um das Verfahren zu beenden, und die Anzahl der notwendigen
Bearbeitungs- und Endbearbeitungsschritte im Vergleich mit bisher
bekannten Verfahren verringert.
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In
einer Ausführungsform
umfasst die Erfindung die Schritte: Kaltformen eines zylindrischen Rohlings
aus gehärtetem
Stahl mit Stirnseiten-Flächen, einer
einen Außendurchmesser
definierenden Seitenfläche
und einer zentrierten kreisförmigen Bohrung,
deren Fläche
einen Innendurchmesser definiert. Die Fläche der Bohrung ist hartgedreht,
um mit einer einzigen Werkzeugeinstellung eine Endform des Lagers
mit einem festgelegten Außendurchmesser
mit einer radialen Wölbung
zu erzielen. Das Verfahren der vorliegenden Erfindung beseitigt
den Bedarf der Bearbeitung der Stirnseiten-Flächen des Lagers durch Kaltformen
des Rohlings, wobei die Seitenflächen
endformnah gebildet sind und keine weitere Bearbeitung erfordern.
Die vorliegende Erfindung beseitigt auch eine Anzahl von Einstell-,
Bearbeitungs-, Endbearbeitungs- und Überprüfungsschritten, was daher Verschnitt
und Abfallmaterialien verringert und die Gesamtkosten für die Fertigung
eines Lagers reduziert.
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Die
obigen Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden
Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen verständlich.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein Flussdiagramm, das die Schritte eines typischen Verfahrens nach
dem Stand der Technik zum Bilden eines Rollenlagers zeigt.
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2 ist
ein Flussdiagramm, das die Schritte zum Bilden eines Stahl-Rollenlagers
durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung darstellt.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Rollenlagerrohlinge
gemäß dem Verfahren der
vorliegenden Erfindung werden durch Kaltformen erhalten. Die Kaltformungsfertigung
von Stahlteilen verwendet typischerweise kohlenstoffarme Baustähle, d.
h., Stähle
mit einem Kohlenstoffgehalt von 0,6 Gewichts-% oder weniger. Ein
geeignetes Kaltformungsverfahren verwendet einen Rohling aus kohlenstoffreichem
hochfesten Stahl. Dieses Kaltformungsverfahren umfasst das Stauchen,
wobei der Querschnittsbereich eines Abschnitts oder des gesamten
Rohlings vergrößert wird,
und das Strangpressen, bei dem der Rohling durch die Öffnung einer Form
gezwungen wird, um einen Rohling mit einem verringerten gleichmäßigen Querschnitt
zu erzeugen. Das Stauchen bei im Wesentlichen Umgebungstemperaturen
kann unter Verwendung von handelsüblichen Maschinen wie z. B.
einer Mutternpress- oder einer Kopfstempelmaschine durchgeführt werden.
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Nach
dem Kaltformen und vor der Endbearbeitung gemäß dem Verfahren der vorliegenden
Erfindung wird der Rohling wärmebehandelt
wie im Stand der Technik bekannt, d. h., austentisiert, abgeschreckt
und getempert, um eine ausreichende Härte für die gewünschte Anwendung zu er zeugen. Brauchbare
Austentisierungstemperatur- und -zeitbereiche sind etwa 801°C (1475°F) bis etwa
885°C (1625°F) für etwa 30
Minuten bis etwa 90 Minuten.
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2 ist
ein Flussdiagramm, das die Schritte des Bildens eines Rollenlagers
durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung darstellt. In Schritt
2-A wird ein Stahlrohling bereitgestellt, der durch irgendeines
der oben beschriebenen Form-, Schmiede- oder Bearbeitungsverfahren
gefolgt von einer Wärmebehandlung
gefertigt sein kann. Wenn der Rohling durch ein Kaltformungsverfahren
erzeugt worden ist, kann ein Lochgrat durch Hartdrehen in einem
optionalen Schritt 2-B, der keine genaue Steuerung erfordert,
entfernt werden.
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In
Schritt 2-C wird die Fläche
der Bohrung mit Hilfe z. B. einer Diamant-Honmaschine wie zum Beispiel einer Accu-Cut-Maschine
von Accu-Cut Co., Norridge, Illinois auf einen festgelegten Innendurchmesser
hartgedreht. Dieser Schritt, der etwa 25 Sekunden benötigt, wird
typischerweise gleichzeitig mit mehreren Teilen mit Hilfe einer
Reihe von Spindeln durchgeführt,
wobei vier eine geeignete Anzahl darstellen. Eine erste Spindel
kann verwendet werden, um den groben Innendurchmesser zu erhalten,
und eine zweite Spindel kann zum Superfinishing der Bohrungsfläche auf
Spezifikation verwendet werden. In einem optionalen Schritt 2-D kann
eine dritte Spindel verwendet werden, um die Bohrung mit einem Kreuzschliffmuster
einzuschneiden, das die Verteilung von Öl an der Bohrungsfläche erleichtert.
Das Kreuzschleifen der Bohrungsfläche kann zwischen der ersten
Dreh- und der Superfinishing-Stufe erfolgen.
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In
Schritt 2-E wird die Seitenfläche des Rohlings hartgedreht,
jeweils ein Teil auf einmal, um in einem einzigen Dreharbeitsschritt
die Endform des Lagers mit einem festgelegten End-Außendurchmesser mit
einer radialen Wölbung
zu erzielen. Dieser Schritt wird vorzugsweise mit Hilfe einer Drehmaschine
mit computergestützter
numerischer Steuerung (CNC), die mit einem Schneidwerkzeug aus kubischem
Bornitrid oder Keramik, erhältlich
von Hardinge Co., Elmira, New York, ausgerüstet ist, durchgeführt.
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Die
Schritte des Hartdrehens der Fläche
der Bohrung und der Seitenfläche
des Rohlings kann in jeder Reihenfolge erfolgen, d. h. Schritt 2-E kann
vor den Schritten 2-C und 2-D durchgeführt werden.
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Ein
Vergleich der Flussdiagramme der 1 und 2,
die Verfahren nach dem Stand der Technik bzw. der vorliegenden Erfindung
zum Bilden eines Rollenlagers darstellen, zeigt, dass, während das Verfahren
nach dem Stand der Technik ein Schleifen der Stirnseiten (Schritt 1-B)
gefolgt von drei getrennten Schleifarbeitsschritten an der Seitenfläche des Rohlings,
um den festgelegten Außendurchmesser des
Lagers zu erhalten (Schritte 1-C, 1-D und 1-F), bedingt,
das Verfahren der vorliegenden Erfindung die Endform des Lagers
mit einem festgelegten Außendurchmesser
mit einer radialen Wölbung
in einem einzigen Hartdrehschritt der Rohling-Seitenfläche erzielt. Überdies
erfordert die vorliegende Erfindung keinen Maschinenschliff der
Stirnseiten des Lagers. Somit erfordert das Verfahren der vorliegenden Erfindung
im Vergleich mit Fertigungsverfahren nach dem Stand der Technik
weniger Schritte und ist weniger kapitalintensiv, wobei handelsübliche anstelle von
kundenspezifischen Maschinen verwendet werden. Des Weiteren erfordert
das Verfahren zum Bilden eines Rollenlagers der vorliegenden Erfindung weniger
Facharbeit als die bisher bekannten Verfahren, verringert wesentlich
die Schwankung von Teil zu Teil und erzielt beträchtliche Zeiteinsparungen, wobei
die Fertigungszeit um ca. die Hälfte
gekürzt wird.