| Dokumentenidentifikation |
DE10331061B4 19.05.2005 |
| Titel |
Ringförmige Verbundwerkstücke und Kaltwalzverfahren zu ihrer Fertigung |
| Anmelder |
Technische Universität Dresden, 01069 Dresden, DE |
| Erfinder |
Ficker, Thomas, Dr.-Ing., 08352 Raschau, DE; Hardtmann, André, Dipl.-Ing., 01159 Dresden, DE; Houska, Mario, Dipl.-Ing., 01855 Sebnitz, DE; Thoms, Volker, Dr.-Ing., Prof., 01734 Rabenau, DE |
| DE-Anmeldedatum |
09.07.2003 |
| DE-Aktenzeichen |
10331061 |
| Offenlegungstag |
24.02.2005 |
| Veröffentlichungstag der Patenterteilung |
19.05.2005 |
| Veröffentlichungstag im Patentblatt |
19.05.2005 |
| IPC-Hauptklasse |
B21H 1/06
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| IPC-Nebenklasse |
B21D 39/04
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| Beschreibung[de] |
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Die Erfindung betrifft ringförmige Verbundwerkstücke, insbesondere
Wälzlagerringe, und ein Kaltwalzverfahren zu ihrer Fertigung aus wenigstens zwei
hohlzylindrischen Werkstücken aus verschiedenen Werkstoffen bzw. gleichen Werkstoffen
unterschiedlicher Festigkeit (im folgenden verschiedenen Werkstoffen), gemäß den
Oberbegriffen der Patentansprüche 7 beziehungsweise 1.
Vereinzelt ist in der Literatur die Fertigung derartiger Wälzlagerringe
beschrieben worden.
Nach DE 200 923 C1
wird über einen gehärteten Ring nach dessen Fertigbearbeitung und dem Füllen mit
Kugeln ein ungehärteter Verstärkungsring gezogen. Es wird darauf verwiesen, dass
das Lager mehr Kugeln aufnehmen kann, weil sich der gehärtete Ring beim Füllen elastisch
verformen lässt. Ein Werkstoffverbund und damit einhergehend eine ausreichende dynamische
Belastbarkeit kann mit dieser Lösung nicht erreicht werden.
In DE 27 45 527 A1
wird die Fertigung von Wälzlageraußenringen durch Kaltwalzen beschrieben. Zwei volumengenaue
Ringe aus verschiedenen Werkstoffen werden durch Schrumpfen miteinander fest verbunden,
anschließend profilgewalzt und danach durch Überdrehen und Schleifen fertig bearbeitet.
Die Vorteile werden vor allem in der Kombination der Werkstoffeigenschaften gesehen,
hier vor allem in der Verbindung eines Laufrings großer Härte mit ausgezeichneten
Verschleißeigenschaften mit einem Stützring geringerer Härte und Festigkeit, der
dann leichter bearbeitet werden kann. Beim Umformen werden die Ringe gemeinsam gleichzeitig
tangential, radial und axial verformt. Ein fester Verbund der beiden Ringe wird
nur in Ausnahmefällen erreicht. Unterschiedliche Werkstoffe verfügen in der Regel
über ein unterschiedliches Aufweitvermögen, so dass die Ringe eher auseinander gehen
(die Schrumpfverbindung wird gelöst) als fest zusammen bleiben. Zur technischen
Umsetzung des Verfahrens ist eine komplexe Werkzeugkonfiguration aus mehreren geteilten
Werkzeugformen notwendig. Die Kosten sind hoch, das Fertigungsspektrum begrenzt
und bezüglich komplizierter Profilquerschnitte stark eingeschränkt. Trotz der einleuchtenden
Vorteile aus dem potentiell höheren Gebrauchswert der Verbundwälzlager ist keine
größere Anwendung von DE 27 45 527 A1
bekannt geworden.
Aus der DE 29 46 082 A1
ist ein Verfahren zur Herstellung einer Nut in runden Werkstücken sowie ein Werkzeug
hierzu bekannt. Hierbei handelt es sich um ein „einfaches" Verfahren zur
Verbindung von Rohren mit dem vorrangigen Ziel der Abdichtung, welches durch ein
einfaches Werkzeug direkt „vor Ort" realisiert werden kann. Mit diesem Verfahren
können dünnwandige Rohre, z. B. aus Kunststoff oder auch Kupfer, miteinander verbunden
werden, jedoch keine Werkstücke, die hohen Belastungsanforderungen standhalten müssen.
Mit dem verwendeten Werkzeug ist es keinesfalls möglich, (Umform-)Kräfte zu realisieren,
die zum Umformen (Walzen) hochfester Werkstoffe (Wälzlagerstahl, Einsatz- und Vergütungsstahl)
größerer Abmessungen (speziell dickwandiger Rohre) notwendig sind.
In der DE 195 36 507 A1
wird ein Verfahren zum Herstellen großer ringförmiger Werkstücke, insbesondere Ringbandagen,
für verschleißfeste Presswalzen, durch einen heißisostatischen Pressvorgang beschrieben.
Hierbei wird ein Ringrohling aus verschiedenen Werkstoffen durch einen heißisostatischen
Pressvorgang auf einer sogenannten HIP-Anlage hergestellt und anschließend durch
einen Warmvorgang (z. B. Ringwalzen) auf andere, bevorzugt größere Abmessungen gebracht.
Es handelt sich also um ein Warmwalzverfahren, was von vornherein Nachbearbeitungen
der derart gewalzten Werkstücke – im Gegensatz zu einem Kaltwalzverfahren
– bedingt.
Das in DE 195 36 507 A1
dargestellte Ringwalzen ist durch einen nahezu ausschließlich tangentialen Werkstofffluss
– d. h. während des Walzprozesses kommt es zu einer Durchmesservergrößerung
bei Verringerung der Wandstärke des gewalzten Werkstückes – gekennzeichnet.
Da unterschiedliche Werkstoffe in der Regel über ein unterschiedliches Aufweitvermögen
verfügen, werden die Werkstoffe gleichfalls eher auseinander gehen als sich verbinden.
Das heißt, durch das beschriebene Walzverfahren ist ein Werkstoffverbund nicht herstellbar.
Aufgabe der Erfindung ist es, ringförmige Verbundwerkstücke für insbesondere
hohe dynamische Belastungen aus wenigstens zwei hohlzylindrischen Werkstücken rationell
zu fertigen.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem Verfahren mit den im Oberbegriff
des Anspruchs 1 genannten Merkmalen dadurch gelöst, dass die hohlzylindrischen Werkstücke
mit einem an sich bekannten axialen Profilwalzverfahren zu einem Verbundwerkstück
umgeformt werden, wobei zwei diametral gegenüberliegend angeordnete Außenprofilwalzwerkzeuge
gemeinsam mit einem Walzdorn oder einem Innenprofilwalzwerkzeug die hohlzylindrischen
Werkstücke gegeneinander pressen.
Weiterhin wird die Aufgabe durch ein ringförmiges Verbundwerkstück
mit den im Anspruch 7 genannten Merkmalen gelöst.
Vorteilhafte Varianten und Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Axiale Profilwalzverfahren sind spätestens seit 1972 bekannt. "Beim
Walzen wird das durch das Eindringen des Profils quer zur Achsrichtung des Werkstücks
zusammengedrückte Material seitlich so weit nach außen verdrängt, dass über die
ursprüngliche Breite des Werkstücks .... vorstehende seitliche Begrenzungsränder
gebildet werden." (DE 22 08 515 A1,
S. 2).
Es wurde gefunden, dass die wenigstens zwei Werkstücke fest miteinander
verbunden werden, auch wenn sie zuvor nur lose ineinander gesteckt und nicht aufeinander
geschrumpft waren. Der Verbund weist Merkmale einer Kaltpressschweißverbindung auf,
die auf das Zusammenpressen der Werkstückflächen mit sehr hohem Druck zurückzuführen
ist.
Die Werkstücke haben vorzugsweise ein solches Spiel zueinander, das
sie gerade noch von Hand fügbar sind.
Indem ein solches Spiel zulässig ist, können auch Rohre, d. h. längere
hohlzylindrische Werkstücke, unkompliziert ineinander gefügt werden.
Einsetzbar sind dadurch sowohl das axiale Profilringwalzen (z. B.
DE 22 08 515 A1) als auch das axiale
Profilrohrwalzen (z. B. DD 225 358 A1
oder DE 195 26 900 A1). Mit dem
letzteren Verfahren können die Verbundringe besonders rationell und materialsparend
gefertigt werden.
Es können sowohl profilierte Außen- als auch Innenwälzlagerringe produziert
werden. Die Laufringe sind jeweils aus hochwertigem Wälzlagerstahl gefertigt. Die
Stützringe dagegen bestehen aus einem weniger festen Stahl, der billiger ist und
leichter bearbeitet werden kann, wodurch die Gesamtkosten für den Wälzlagerring
deutlich gesenkt werden.
Es sind auch Verbundringe aus Stahl in Kombination mit Nichteisenmetallen,
insbesondere Aluminium, herstellbar, beispielsweise für den Leichtbau oder zum Korrosionsschutz.
Durch die funktionsangepasste Werkstoffauswahl werden in beträchtlichem Umfang Fertigungskosten
eingespart und neue Gebrauchseigenschaften erzielt.
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen auf
der Basis des axialen Profilrohrwalzens näher erklärt. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Vorbereitung der zu walzenden
Rohre
2 eine Fertigung von Wälzlagerinnenringen
aus zwei Rohren
3 einen einzelnen aus zwei Rohren gefertigten
Wälzlagerinnenring
4 eine Fertigung von Wälzlagerinnenringen
aus drei Rohren
5 eine Fertigung eines Getrieberings
aus zwei hohlzylindrischen Werkstücken
6 eine Fertigung von Wälzlageraußenringen
aus zwei Rohren
– Stand der Technik –
7 eine Schnittansicht zur Darstellung
des Tangentialprofilringwalzens
8 eine Seitenansicht zur Darstellung
des Tangentialprofilringwalzens
9 eine Schnittansicht zur Darstellung
des Axialprofilringwalzens
10 eine Seitenansicht zur Darstellung
des Axialprofilringwalzens
Gemäß 1 werden als Werkstücke
1 und 2 zwei Rohre zur Umformung vorbereitet. Sie sind, sofern
erforderlich, außen überdreht und innen ausgedreht und danach ineinander gesteckt.
In 2 befinden sich die beiden Werkstücke
1 und 2, ausgebildet als Rohre, auf einem Walzdorn 7
zwischen zwei Außenprofilwalzwerkzeugen 6. Die Außenprofilwalzwerkzeuge
6 sind diametral angeordnet, drehbar und radial zustellbar.
Außerdem sind sie axial verschiebbar, um den Rohrlängungen durch den
axialen Materialfluss zu folgen.
3 zeigt den Verbundwälzlagerinnenring
8 nach Abstechen und spanender Überarbeitung komplett schleiffertig. Die
ursprünglichen Rohre bilden jetzt den Laufring 1', z. B. aus hochfestem
Wälzlagerstahl, und den Stützring 2' aus einem weniger festen und leichter
zu bearbeitenden Stahl.
4 zeigt die Fertigung eines Verbundwälzlagerinnenrings
9 aus drei Werkstücken 3, 4 und 5. Die wiederum
als Rohre ausgebildeten Werkstücke 3 und 5 bestehen aus unterschiedlichen
Stählen analog zur ersten Variante, Werkstück 4 ist aus Aluminium. Es kann
bewusst dick gehalten werden (Leichtbau) oder auch nur eine dünne, z. B. aufgedampfte
Schicht sein, um die Verbindung der Werkstücke 3 und 5 beim Walzen
des Verbundes analog zum Kaltpressschweißen zu fördern.
5 zeigt die Herstellung eines Getrieberinges
10 aus zwei Werkstücken 1 und 2 mit zwei Außenprofilwalzwerkzeugen
6 und einem Walzdorn 7. Die Werkstücke 1 und
2 bestehen aus Stahlwerkstoffen unterschiedlicher Festigkeit.
In 6 ist die Herstellung eines Verbundwälzlageraußenrings
11 dargestellt. Das hochfestere Werkstück 1 bildet wieder den
Laufring und liegt jetzt im Vergleich zu 2 bzw.
3 innen.
Bei allen Varianten ist gesichert, dass das Material vor allem im
Bereich der angrenzenden Schichten fast über den gesamten Umformprozess axial frei
fließen kann.
Die folgenden Erläuterung zu den 7 bis
10 dienen zur Definition der aus dem Stand
der Technik bekannten Verfahren.
Die 7 und 8
zeigen im Schnitt bzw. in der Seitenansicht das Tangentialprofilringwalzen eines
Werkstücks 1 zwischen einem Profilwalzwerkzeug 6 und einem Walzdorn
7. Die eingezeichneten Pfeile mit den gefüllten Spitzen (in senkrechter
Blattrichtung) kennzeichnen den Druck der Werkzeuge 6 und 7 auf
das Werkstück 1. Der Druck erfolgt radial. Die Pfeile mit den ungefüllten
Spitzen (in waagerechter Blattrichtung) kennzeichnen die wesentliche Richtung des
Materialflusses. Sie liegt tangential bezogen auf die Mantellinie bzw. die in
8 eingezeichnete umlaufende Mittenfaser des Werkstücks
1. Charakteristisch für das Tangentialprofilringwalzen ist die Vergrößerung
des Werkstückdurchmessers. Außerdem verringert sich die Schulterhöhe des Werkstückes
1.
Die 9 und 10
zeigen im Schnitt bzw. in der Seitenansicht das Axialprofilringwalzen eines Werkstücks
1 zwischen zwei Profilwalzwerkzeugen 6a und 6b und einem
Walzdorn 7. Die Werkzeuge 6a, 6b und 7 drücken
radial auf das Werkstück 1. Das Material fließt überwiegend axial. Charakteristisch
für das Axialprofilringwalzen ist die Vergrößerung der Werkstückbreite. Sie nimmt
wenigstens um den Betrag, der dem Volumen des eingewalzten Profils entspricht, zu.
1- Werkstück
1'- Laufring
2- Werkstück
2'- Stützring
3- Werkstück
4- Werkstück
5- Werkstück
6- Außenprofilwalzwerkzeug
6a- Profilwalzwerkzeug
6b- Profilwalzwerkzeug
7- Walzdorn
8- Verbundwälzlagerinnenring
9- Verbundwälzlagerinnenring
10- Getriebering
11- Verbundwälzlageraußenring
12- Innenprofilwalzwerkzeug
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| Anspruch[de] |
- Kaltwalzverfahren zur Fertigung eines ringförmigen Verbundwerkstücks
aus wenigstens zwei hohlzylindrischen Werkstücken aus verschiedenen Werkstoffen,
die gemeinsam profilgewalzt werden, gekennzeichnet dadurch, dass die hohlzylindrischen
Werkstücke (1 bis 5) mit einem an sich bekannten axialen Profilwalzverfahren
zu einem Verbundwerkstück (8 bis 11) umgeformt werden, wobei zwei
diametral gegenüberliegend angeordnete Außenprofilwalzwerkzeuge (6) gemeinsam
mit einem Walzdorn (7) oder einem Innenprofilwalzwerkzeug (12)
die hohlzylindrischen Werkstücke (1 bis 5) gegeneinander pressen.
- Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die hohlzylindrischen
Werkstücke (1 bis 5) vor dem Walzen lose ineinander gesteckt werden.
- Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, dass
die hohlzylindrischen Werkstücke (1 bis 5) ein solches Spiel zueinander
aufweisen, dass sie gerade noch von Hand fügbar sind.
- Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass als hohlzylindrische
Werkstücke (1 bis 5) ineinander gesteckte Ringe mit einem axialen
Profilringwalzverfahren zu einem Verbundwerkstück (8 bis 11) umgeformt
werden.
- Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass als hohlzylindrische
Werkstücke (1 bis 5) ineinander gesteckte Rohre mit einem axialen
Profilrohrwalzverfahren zu einem Verbundwerkstück (8 bis 11) umgeformt
werden.
- Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass wenigstens
eine der sich berührenden Flächen der hohlzylindrischen Werkstücke (1 bis
5) mit einem Material, z. B. Aluminium, beschichtet ist.
- Ringförmiges Verbundwerkstück, bestehend aus wenigstens zwei hohlzylindrischen
Werkstücken aus verschiedenen Werkstoffen, gekennzeichnet dadurch, dass das ringförmige
Verbundwerkstück (8 bis 11) durch ein an sich bekanntes axiales
Profilwalzverfahren gefertigt ist, bei dem zwei diametral gegenüberliegend
angeordnete Außenprofilwalzwerkzeuge (6) gemeinsam mit einem Walzdorn (7)
oder einem Innenprofilwalzwerkzeug (12) die hohlzylindrischen Werkstücke
(1 bis 5) gegeneinander pressen.
- Ringförmiges Verbundwerkstück nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch,
dass das ringförmige Verbundwerkstück ein Wälzlagerring ist.
- Ringförmiges Verbundwerkstück nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch,
dass der Laufring (1') des Wälzlagerrings aus Wälzlagerstahl und der Stützring
(2') aus einem weniger hochfesten Stahl gefertigt ist.
- Ringförmiges Verbundwerkstück nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch,
dass das ringförmige Verbundwerkstück ein Getriebering ist.
- Ringförmiges Verbundwerkstück nach einem der Ansprüche 7 bis 10, gekennzeichnet
dadurch, dass eines der Werkstücke (1 bis 5) aus einem Nichteisenmetall,
insbesondere Aluminium, besteht.
- Ringförmiges Verbundwerkstück nach einem der Ansprüche 7 bis 11, gekennzeichnet
dadurch, dass eines der Werkstücke (1 bis 5) aus Kunststoff besteht.
- Ringförmiges Verbundwerkstück nach einem der Ansprüche 7 bis 12, gekennzeichnet
dadurch, dass eines der Werkstücke (1 bis 5) aus Pulverwerkstoff
besteht.
Es folgen 4 Blatt Zeichnungen
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