DE102005012602B3

DE102005012602B3 - Verfahren zur Herstellung einer Lageranordnung

Info

Publication number: DE102005012602B3
Application number: DE102005012602A
Authority: DE
Inventors: Helmut Hauck; Alexander Dilje
Original assignee: SKF AB
Current assignee: SKF AB
Priority date: 2005-03-18
Filing date: 2005-03-18
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2025-03-19
Also published as: WO2006097256A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lageranordnung (1), die mindestens einen Lagerring (2), insbesondere einen Wälzlagerring, sowie ein Trägerelement (3) aufweist. Um eine haltbare Schweißverbindung zwischen Lagerring und Trägerelement herzustellen, weist das Verfahren die Schritte auf: a) Herstellen des Lagerrings (2) aus Stahl durch eine spanende oder nichtspanende mechanische Bearbeitungsoperation, wobei der Stahl eine erste Kohlenstoffkonzentration (c¶1¶) aufweist; b) Thermochemisches Anreichern der gesamten Randschicht (4) des Lagerrings (2) mit Kohlenstoff (C), so dass die gesamte Randschicht (4) eine zweite Kohlenstoffkonzentration (c¶2¶) aufweist, die höher ist als die erste Kohlenstoffkonzentration (c¶1¶); c) Entfernen zumindest eines Teils der mit Kohlenstoff angereicherten Randschicht (4) in einem Teilbereich (5) des Lagerrings (2); d) Härten des Lagerrings (2); e) Verschweißen des Lagerrings (2) mit dem Trägerelement (3), wobei die Schweißnaht (6) in dem Teilbereich (5) angebracht wird, in dem die im Kohlenstoff angereicherte Randschicht (4) entfernt wurde.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Lageranordnung, die mindestens einen Lagerring, insbesondere einen Wälzlagerring, sowie ein Trägerelement aufweist.
Bei vielen maschinenbautechnischen Anwendungen werden Lageranordnungen der gattungsgemäßen Art benötigt, bei der ein Lager, insbesondere ein Wälzlager, mit einem Trägerelement fest verbunden ist, um die Betriebskräfte des Lagers aufnehmen und übertragen zu können.

Die DE 199 19 201 C1 , die DE 199 35 469 A1 und die DE 200 07 309 U1 zeigen Lageranordnungen, bei denen Wälzlager in einem Lagerträger platziert sind, wobei zumindest die Verbindung auch durch einen Schweißprozess hergestellt wird. Dabei ist die Herstellung der Schweißverbindung deshalb kein Problem, weil das Lagerschild aus einem Werkstoff gefertigt werden kann, das gut schweißbar ist. Dies ist namentlich für Stahl der Fall der keinen zu hohen Kohlenstoffanteil aufweist. Die Kohlenstoffkonzentration darf in der Regel nicht über 0,2 % (Gewichtsprozent) liegen, da sonst der Stahl an der Schweißnaht versprödet.

Problematisch wird die Herstellung einer festen und stabilen Verbindung zwischen Lagerring und Trägerelement, wenn das Material des Lagerrings selber verschweißt werden muss. Damit der Lagerring für seinen Gebrauch eine hinreichende Festigkeit aufweist, ist es nötig, ihn zu härten.

Für das Härten ist jedoch bekanntlich ein hinreichender Kohlenstoffgehalt erforderlich. Typischer Kugellagerstahl (100 Cr 6) hat beispielsweise einen Kohlenstoffgehalt von 1 %. Dies steht der Forderung entgegen, den Ring verschweißbar zu halten; mit einem solchen Kohlenstoffgehalt führt die Verschweißung zwangsläufig zu einer Versprödung des Materials, was die Festigkeit der Schweißverbindung herabsetzt.

Bekannt ist es, einen Lagerring aus Einsatzstahl zu fertigen, der vor dem Härten einer thermochemischen Anreichungen der Randschicht mit Kohlenstoff (Aufkohlen) unterzogen wird. Dadurch wird der zunächst noch kohlenstoffarme Stahl in seiner Randschicht mit Kohlenstoff derart angereichert, dass er härtbar wird. Das Aufkohlungsmittel kann fest, flüssig oder gasförmig sein, wobei auch Pasten eingesetzt werden können. Das Aufkohlen selber erfolgt bei erhöhter Temperatur (oberhalb A3).

Aufgekohltes Material mit hohem Kohlenstoffanteil hat freilich wieder das Problem schlechter Schweißbarkeit zur Folge.

Aus der DE 36 34 458 A1 , der WO 99/58287 A1 und aus der DE 20 64 034 A ist es bekannt, bei der Verbindung zweier Bauteile die zu verschweißenden Materialien zu reinigen und gegebenenfalls verzundete und aufgekohlte Bereiche, beispielsweise durch Abschleifen, zu entfernen. Dabei kann auch vorgesehen werden, dass eine Einsatzschicht bei der Schweißvorbereitung teilweise abgetragen wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Lageranordnung der eingangs genannten Art zu schaffen, die sowohl ein Härten des Lagerrings zulässt als auch ein direktes Verschweißen des Rings mit dem Trägerelement. Dabei soll die Herstellung der Lageranordnung mit bekannten und in der betrieblichen Praxis in der Regel verfügbaren Maschinen und Anlagen unproblematisch sein. Es soll also eine wirtschaftliche Lösung zur Produktion kohlenstoffgehärteter Lagerringe, insbesondere Wälzlagerringe, geschaffen werden, die direkt schweißbar sind. Die Schweißnaht soll den Lagerring dabei unmittelbar mit dem Trägerelement verbinden.

Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist durch ein Verfahren gekennzeichnet, das die folgenden Schritte aufweist:

a) Herstellen des Lagerrings aus Stahl durch eine spanende oder nichtspanende mechanische Bearbeitungsoperation, wobei der Stahl eine erste Kohlenstoffkonzentration aufweist;
b) Thermochemisches Anreichern der gesamten Randschicht des Lagerrings mit Kohlenstoff, so dass die gesamte Randschicht eine zweite Kohlenstoffkonzentration aufweist, die höher ist als die erste Kohlenstoffkonzentration;
c) Entfernen zumindest eines Teils der mit Kohlenstoff angereicherten Randschicht in einem Teilbereich des Lagerrings;
d) Härten des Lagerrings;
e) Verschweißen des Lagerrings mit dem Trägerelement, wobei die Schweißnaht in dem Teilbereich angebracht wird, in dem die mit Kohlenstoff angereicherte Randschicht entfernt wurde, wobei der Lagerring gemäß Schritt a) mit einer zylindrischen Außen- oder Innenfläche so hergestellt wird, dass der Lagerring in dem Teilbereich des Lagerrings ein radiales Aufmaß aufweist und wobei der Lagerring gemäß Schritt c) durch Abtrag des Aufmaßes mit einer zylindrischen Kontur versehen wird.

Die Erfindung stellt also darauf ab, dass in einem ersten Teilprozess der Lagerring aufgekohlt wird. Dann wird der aufgekohlte Bereich in einem sich anschließenden Schritt dort wieder abgetragen, z. B. abgedreht, wo das Trägerelement später angeschweißt werden soll. Nach dem sich anschließenden Härten wird dann das Trägerelement angeschweißt. Da der aufgekohlte Bereich im Anschlussbereich des Trägerelements vom Lagerring entfernt wurde, liegt ein für das Schweißen hinreichend geringer Kohlenstoffgehalt vor. Da die sonstigen Oberflächenbereiche des Lagerrings indes aufgekohlt geblieben sind, weisen diese Bereiche nach dem Härten eine hinreichend hohe Härte auf.

Die mechanische Bearbeitungsoperation gemäß obigem Schritt a) ist bevorzugt ein Drehvorgang bzw. die Operation weist einen solchen auf.

Zumeist wird nach obigem Schritt d) und vor Schritt e) der Lagerring einer Hartbearbeitungsoperation unterzogen; dabei handelt es sich meist um einen Schleifvorgang.

Die erste Kohlenstoffkonzentration ist vorzugsweise so gering, dass eine feste und stabile Schweißverbindung zwischen dem Lagering und dem Trägerelement herstellbar ist. In der Praxis bewährte Werte liegen dabei unterhalb von 0,2 %, vorzugsweise unterhalb von 0,1 %, für den Kohlenstoffgehalt bzw. die Kohlenstoffkonzentration.

Die zweite Kohlenstoffkonzentration ist mit Vorteil indes so groß, dass ein Härten des Materials problemlos möglich ist; bewährte Werte für die zweite Kohlenstoffkonzentration im Stahl liegen oberhalb von 0,2 %, vorzugsweise oberhalb von 0,5 %.

Das Entfernen der mit Kohlenstoff angereicherten Randschicht gemäß obigem Schritt c) erfolgt bevorzugt so, dass der Lagerring in diesem Bereich nach dem Entfernen der angereicherten Randschicht eine Kohlenstoffkonzentration aufweist, die eine feste und stabile Schweißverbindung zwischen dem Lagering und dem Trägerelement ermöglicht. Dabei ist bevorzugt vorgesehen, dass die Kohlenstoffkonzentration an der Oberfläche des Lagerrings in dem Teilbereich nach dem Entfernen der angereicherten Randschicht unterhalb von 0,2 %, vorzugsweise unterhalb von 0,1 %, liegt. Das Entfernen der mit Kohlenstoff angereicherten Randschicht erfolgt mit Vorteil durch einen Drehvorgang.

Nicht zwingend ist, dass die gesamte aufgekohlte Schicht wieder abgetragen wird; es muss lediglich soviel Randschichtmaterial abgetragen werden, dass ein stabiles Schweißen möglich ist.

Die Lösung stellt auf folgende Überlegung ab: Der Lagerring wird zunächst mit einem überstehenden Abschnitt gefertigt, der über die vorgesehene Endkontur hinausragt. Dieser überstehende Abschnitt wird dann vor dem Härten abgetragen, so dass die geometrische Endkontur des Lagerrings entsteht (abgesehen vom verbleibenden Aufmaß für die Hartfeinbearbeitung). Nach diesem Konzept ist also vorgesehen, dass der Lagerring gemäß obigem Schritt a) mit einer vorzugsweise zylindrischen Außen- oder Innenfläche so hergestellt wird, dass der Lagerring in dem genannten Teilbereich des Lagerrings ein Aufmaß aufweist. Das radiale Aufmaß beträgt dabei vorzugsweise zwischen 1 mm und 5 mm.

Das Verschweißen des Lagerrings mit dem Trägerelement gemäß obigem Schritt e) kann mittels Laserstrahlschweißen oder mittels Elektronenstrahlschweißen erfolgen. Es sind aber auch klassische Schweißverfahren möglich.

Der Lagerring wird bei seiner Herstellung gemäß obigem Schritt a) bevorzugt aus Einsatzstahl gefertigt.

Das Trägerelement kann auch durch einen Abstandshalter gebildet werden, das zwei Wälzlager, deren Achsen parallel zueinander liegen, auf definiertem Abstand hält.

Eine variierte Ausführungsform der Erfindung stellt darauf ab, dass das Trägerelement durch den Ring eines weiteren Wälzlagers gebildet wird. Beispielsweise können zwei benachbarte Lager, deren Achsen parallel zueinander verlaufen, an ihren Außenringen miteinander verschweißt werden, ohne dass ein separates Trägerelement zum Einsatz kommt; das Trägerelement wird vielmehr durch den weiteren Lagerring gebildet. Möglich ist es auch, dass zwei Lagerringe an ihren Stirnseiten miteinander verschweißt werden.

Mit dem Erfindungsvorschlag wird eine kompakte Lageranordnung erreicht, die sich einerseits durch eine feste und stabile direkte Schweißverbindung zwischen einem der Lagerringe und dem Trägerelement auszeichnet und die andererseits auch einen Lagerring umfasst, der eine hohe Härte und damit die benötigte Verschleißfestigkeit aufweist.

Von Vorteil ist auch, dass alle Verfahrensschritte mit üblicherweise verfügbaren Fertigungsverfahren und -maschinen durchgeführt werden können, so dass die Durchführung des erfindungsgemäßen Konzepts keine Investitionskosten verursacht.

Möglich ist es auch, fast beliebige Ausgestaltungen für die Lageranordnung zu realisieren, was die Ausbildung des Trägerelements und dessen Positionierung am Lagerring anbelangt. Insbesondere sind Sonderbauformen leicht zu realisieren.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 eine Lageranordnung in fertiggestelltem Zustand im Schnitt,
2 den Lageraußenring der Lageranordnung in einem ersten Fertigungszustand im Schnitt,
3 den Lageraußenring der Lageranordnung in einem zweiten Fertigungszustand im Schnitt,
4 den Lageraußenring der Lageranordnung in einem dritten Fertigungszustand im Schnitt,
5 den Lageraußenring der Lageranordnung gemäß einer alternativen Ausführungsform in einem Fertigungszustand entsprechend 3 und
6 den Lageraußenring der Lageranordnung gemäß 5 in einem Fertigungszustand entsprechend 4.
In 1 ist eine Lageranordnung 1 skizziert, die ein Wälzlager mit einem Lageraußenring 2 umfasst. An dem Lagerring 2 ist seitlich ein plattenförmig ausgebildetes Trägerelement 3 festgelegt, und zwar durch Schweißen. Die Schweißnaht ist mit der Bezugsziffer 6 versehen.
Das Anschweißen des Trägerelements 3 am Lagerring 2 erfolgte hier durch Laserschweißen.
Die Lageranordnung 1 kann mit einer nur schematisch angedeuteten Schraubverbindung 7 festgelegt werden, d. h. das Trägerelement 2 weist entsprechende Durchgangsbohrungen für Schrauben auf.
Die Lageranordnung 1 wird wie folgt hergestellt: In einem ersten Schritt wird der Lagerring 2 mechanisch gefertigt. Der nach diesem Vorgang vorliegende Lagerring 2 ist in 2 skizziert. Bei der Fertigung können spanende (z. B. Drehen) oder nichtspanende (z. B. Rollen) Fertigungsverfahren eingesetzt werden. Zumeist wird die in 2 skizzierte Geometrie durch einen Drehvorgang erzielt. Der Lagerring 2 besteht aus Einsatzstahl mit – noch – geringer Kohlenstoffkonzentration c₁. Diese liegt unter 0,2 %, vorzugsweise unter 0,1 %.
In 2 angedeutet ist, dass – was anschließend erfolgt – Kohlenstoff C dem Lagerring zugeführt wird. Damit ist gemeint, dass der vorgefertigte Lagerring 2 in eine Kohlenstoffatmosphäre eingebracht wird, in der ein Aufkohlen in bekannter Weise erfolgt. Das Resultat dieses Verfahrensschritts ist in 3 zu sehen. Dort ist angedeutet, dass sich in der Randschicht 4 des Lagerings 2, also allseitig an seiner Oberfläche, Kohlenstoff eingelagert hat, so dass in der Randschicht 4 eine Kohlenstoffkonzentration c₂ von mehr als 0,2 % vorliegt, vorzugsweise über 0,5 %.
Damit ist die Lagerringoberfläche härtbar, jedoch nicht mehr schweißbar.
Daher wird im sich anschließenden Schritt – wie es aus 4 ersichtlich ist – die aufgekohlte Schicht in einem Teilbereich 5 wieder abgetragen. Im Ausführungsbeispiel wird in einem der beiden Seitenbereiche des Lagerrings 2 eine im Radialschnitt rechteckige Nut eingedreht. In 4 angedeutet ist, dass an der Nutoberfläche wieder Material mit niedriger Kohlenstoffkonzentration c₁ zum Vorschein kommt.
Im weiteren Verlauf wird (was nicht mehr in den Figuren illustriert ist) das Trägerelement 3 (s. 1) in die nutförmige Ausdrehung eingesetzt und dann in dieser festgeschweißt. Die Schweißverbindung hat hohe Festigkeit, da der Schweißverbund zwischen dem Material des Trägerelements (mit niedrigem Kohlenstoffanteil) und dem Material des Lagerings 2 an der Kontaktstelle zum Trägerelement 3 mit geringem Kohlenstoffanteil c₁ hergestellt wird.
In den 5 und 6 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel skizziert: Hier wird der Lagerring 2 bei seiner mechanischen Fertigung mit einem Aufmaß x gedreht. D. h. die zylindrische Außenfläche des Lagerrings 2 hat in dem Teilbereich 5 radial ein größeres Maß, nämlich einen um das Aufmaß x größeren Radius.
In 5 ist der Zustand nach dem Aufkohlen dargestellt. Wie zu sehen ist, weist der gesamte Randbereich des Lagerrings 2 wieder eine höhere Kohlenstoffkonzentration c₂ auf, die über dem Kohlenstoffgehalt c₁ des restlichen Rings liegt.
Vor dem Härten wird das Aufmaß x abgetragen, d. h. z. B. abgedreht, so dass sich die in 6 skizzierte Kontur ergibt. Wie dort weiter zu sehen ist, liegt an der Oberfläche des Teilbereichs 5, der später mit dem Trägerelement 3 verschweißt wird, eine geringe Kohlenstoffkonzentration c₁ vor, die ein optimales Schweißen ermöglicht.
D. h. der im Teilbereich 5 vorliegende aufgekohlte Bereich wird entfernt oder zumindest signifikant reduziert, bis eine für ein Schweißen hinreichend geringe Kohlenstoffkonzentration vorliegt.

1: Lageranordnung
2: Lagerring
3: Trägerelement
4: Randschicht
5: Teilbereich
6: Schweißnaht
7: Schraubverbindung
c₁: erste Kohlenstoffkonzentration
c₂: zweite Kohlenstoffkonzentration
x: Aufmaß
C: Kohlenstoff

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Lageranordnung (1), die mindestens einen Lagerring (2), insbesondere einen Wälzlagerring, sowie ein Trägerelement (3) aufweist, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: a) Herstellen des Lagerrings (2) aus Stahl durch eine spanende oder nichtspanende mechanische Bearbeitungsoperation, wobei der Stahl eine erste Kohlenstoffkonzentration (c₁) aufweist; b) Thermochemisches Anreichern der gesamten Randschicht (4) des Lagerrings (2) mit Kohlenstoff (C), so dass die gesamte Randschicht (4) eine zweite Kohlenstoffkonzentration (c₂) aufweist, die höher ist als die erste Kohlenstoffkonzentration (c₁); c) Entfernen zumindest eines Teils der mit Kohlenstoff angereicherten Randschicht (4) in einem Teilbereich (5) des Lagerrings (2); d) Härten des Lagerrings (2); e) Verschweißen des Lagerrings (2) mit dem Trägerelement (3), wobei die Schweißnaht (6) in dem Teilbereich (5) angebracht wird, in dem die mit Kohlenstoff angereicherte Randschicht (4) entfernt wurde, wobei der Lagerring (2) gemäß Schritt a) mit einer zylindrischen Außen- oder Innenfläche so hergestellt wird, dass der Lagerring (2) in dem Teilbereich (5) des Lagerrings (2) ein radiales Aufmaß (x) aufweist und wobei der Lagerring (2) gemäß Schritt c) durch Abtrag des Aufmaßes (x) mit einer zylindrischen Kontur versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Bearbeitungsoperation gemäß Schritt a) von Anspruch 1 ein Drehvorgang ist oder sie einen solchen aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt d) und vor Schritt e) gemäß Anspruch 1 der Lagerring (2) einer Hartbearbeitungsoperation unterzogen wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartbearbeitungsoperation ein Schleifvorgang ist oder sie einen solchen beinhaltet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kohlenstoffkonzentration (c₁) so gering ist, dass eine feste und stabile Schweißverbindung zwischen dem Lagering (2) und dem Trägerelement (3) herstellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kohlenstoffkonzentration (c₁) im Stahl unterhalb von 0,2 %, vorzugsweise unterhalb von 0,1 %, liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kohlenstoffkonzentration (c₂) so groß ist, dass ein Härten des Materials möglich ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kohlenstoffkonzentration (c₂) im Stahl oberhalb von 0,2 %, vorzugsweise oberhalb von 0,5 %, liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen der mit Kohlenstoff angereicherten Randschicht (4) gemäß Schritt c) von Anspruch 1 so erfolgt, dass die Oberfläche des Lagerrings (2) in diesem Bereich (5) nach dem Entfernen der angereicherten Randschicht eine Kohlenstoffkonzentration aufweist, die eine feste und stabile Schweißverbindung zwischen dem Lagering (2) und dem Trägerelement (3) ermöglicht.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffkonzentration an der Oberfläche des Lagerrings (2) in dem Teilbereich (5) nach dem Entfernen der angereicherten Randschicht (4) unterhalb von 0,2 %, vorzugsweise unterhalb von 0,1 %, liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen der mit Kohlenstoff angereicherten Randschicht (4) gemäß Schritt c) von Anspruch 1 durch einen Drehvorgang erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das radiale Aufmaß (x) zwischen 1 mm und 5 mm beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschweißen des Lagerrings (2) mit dem Trägerelement (3) gemäß Schritt e) nach Anspruch 1 mittels Laserstrahlschweißen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschweißen des Lagerrings (2) mit dem Trägerelement (3) gemäß Schritt e) nach Anspruch 1 mittels Elektronenstrahlschweißen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerring (2) bei seiner Herstellung gemäß Schritt a) nach Anspruch 1 aus Einsatzstahl gefertigt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (3) durch einen Ring eines weiteren Wälzlagers gebildet wird.