Titel

Verfahren zum Härten einer Wälzkörperlaufbahn eines Wälzlagerrings und Wälzlagerring Stand der Technik

Es ist aus dem Stand der Technik wohlbekannt, Wälzlagerringe durch Zuführen von Wärme und anschließendem Abkühlen bereichsweise zu härten. Insbesondere bei Wälzlagern, werden die Laufflächen der Lagerringe, auf weichen die Wälzkörper ablaufen, üblicherweise einer Härtebehandlung unterzogen, damit die Tragfähigkeit der Laufbahn erhöht wird und keine Verformungen der Laufflächen durch den Druck der Wälzkörper auftreten. Das Härten dieser Laufflächen wird typischerweise als Randschichthärten bezeichnet.

Beispielsweise ist aus der Druckschrift EP 1 129 868 B1 bekannt, die Lauffläche eines Lagerrings eines Wälzlagers zu härten während der übrige Bereich des Lagerrings aus nicht gehärtetem Ausgangsmaterial besteht.

Offenbarung der Erfindung

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Härten von

Randschichten bzw. einer Wälzkörperlaufbahn eines Wälzlagerrings gemäß der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, bei welchem die Tragfähigkeit der gehärteten Randschicht und somit der Wälzkörperlaufbahn weiter erhöht werden kann.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird gelöst durch ein Verfahren zum Härten einer Wälzkörperlaufbahn eines Wälzlagerrings, wobei im ersten Verfahrensschritt der eine Wälzkörperlaufbahn aufweisende Wälzlagerring bereitgestellt wird, wobei in einem zweiten Verfahrensschritt eine Randschicht des Wälzlagerrings im Bereich der Wälzkörperlaufbahn durch Zuführung von Wärme gehärtet wird und wobei in einem zeitlich nach dem zweiten Verfahrensschritt durchgeführten dritten Verfahrensschritt der Verlauf der Eigenspannung im Bereich der gehärteten Randschicht verändert wird.

Beim Randschichthärten von Werkstoffoberflächen entsteht im Inneren des Materials ein charakteristischer Eigenspannungsverlauf. Dieser Eigenspannungsverlauf weist im gehärteten Randbereich hohe Druckeigenspannungen auf, welche dann im Übergang zwischen gehärtetem Werkstoff und Kernmaterial, also nicht gehärtetem Werkstoff, in Zugeigenspannungen übergehen und unmittelbar unter der gehärteten Randschicht ein Zugeigenspannungsmaximum aufweisen. Es wurde nun überraschend gefunden, dass durch eine gezielte Veränderung des Verlaufs dieser Eigenspannung die Tragfähigkeit des gehärteten Randbereichs vorteilhafterweise erhöht werden kann, so dass durch das erfindungsgemäße Verfahren in einfacher und kosteneffizienter Weise ein Wälzlagerring mit einer gehärteten Wälzkörperlaufbahn hergestellt werden kann, die eine erheblich höhere Tragfähigkeit aufweist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen, sowie der Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen entnehmbar.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass im dritten Verfahrensschritt der Verlauf der Eigenspannung im Bereich eines unterhalb der gehärteten Randschicht befindlichen Zugeigenspannungsmaximums aktiv verändert wird. Vorzugsweise wird das Zugeigenspannungsmaximum abgebaut. Es hat sich gezeigt, dass ein Abbau des

Zugeigenspannungsmaximums insbesondere bei einer vergleichsweise geringen

Randtiefenhärte die statische Tragfähigkeit des gehärteten Randbereichs bzw. der Laufbahn erhöht werden kann.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass im dritten

Verfahrensschritt der Wälzlagerring zur Veränderung des Verlaufs der Eigenspannung gewalzt wird. Vorteilhafterweise wird durch das Walzen des gehärteten Randbereichs der Verlauf der Eigenspannung verändert und insbesondere das unterhalb der gehärteten Randschicht befindliche Zugeigenspannungsmaximum abgebaut, wodurch die Tragfähigkeit des gehärteten Randbereichs erhöht wird. Vorteilhafterweise ist ein Walzen des

Wälzlagerrings vergleichsweise einfach und kostengünstig implementierbar. Zudem sind beim Walzen hohe Taktraten zu erzielen. Das Walzen lässt sich auch bei einem kreisrunden Wälzlagerring vergleichsweise effizient realisieren. Beim Walzen im dritten Verfahrensschritt wird insbesondere eine Flächenpressung mit einem Druck zwischen 3.500 und 5.500 MPa realisiert.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass im dritten

Verfahrensschritt der Bereich derart gewalzt wird, dass die Vergleichsspannung unter der Oberfläche im Bereich des Zugeigenspannungsmaximums zu einer Plastifizierung des Materials führt. Bei der Vergleichsspannung handelt es sich insbesondere um„Von-Mises- Vergleichsspannung". Die Lage des Zugeigenspannungsmaximums ist wiederum abhängig von der gewählten Einhärtetiefe und den resultierenden Eigenspannungen, daher liegen geeignete Flächenpressungen des Wälzprozesses in einem entsprechenden Bereich.

Typische Werte für eine geeignete Flächenpressung für so einen Walzprozess liegen im Bereich zwischen 3.500 - 5.500 MPa.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass im dritten Verfahrensschritt der Wälzlagerring im Bereich der Wälzkörperlaufbahn mit einer Walze gewalzt wird, deren Breite im Wesentlichen der Laufbahnbreite entspricht. Die Walze umfasst dabei vorzugsweise einen Wälzkörper, so dass der Wälzlagerring unmittelbar mit der korrekten Laufbahnbreite gewalzt wird.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass im zweiten Verfahrensschritt die Randschicht durch Induktionshärten gehärtet wird. In vorteilhafter Weise ermöglich die Verwendung des Induktionshärtens eine besonders effiziente gut regulierbare und kostengünstige Möglichkeit dem Wälzlagerring bereichsweise Wärme zuzuführen. Der Wärmeeintrag kann zudem vergleichsweise genau lokalisiert werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass im zweiten Verfahrensschritt der Wälzlagerring kontinuierlich mit einer Fördergeschwindigkeit durch eine Induktionshärtevorrichtung gefördert wird, wobei die Fördergeschwindigkeit derart angepasst wird, dass sich das Zugeigenspannungsmaximum reduziert. Vorteilhafterweise kann der Abbau des Zugeigenspannungsmaximums durch eine entsprechende Justierung der Fördergeschwindigkeit optimiert werden. Denkbar ist, dass man bei einem vorgegebenen Wälzlagerring die Fördergeschwindigkeit solange variiert, bis das

Zugeigenspannungsmaximum ein Minimum aufweist. Zusätzlich oder alternativ ist vorgesehen, dass im zweiten Verfahrensschritt der Wälzlagerring nach der Zuführung von Wärme abgekühlt wird, wobei die Kühlung derart angepasst wird, dass sich das

Zugeigenspannungsmaximum reduziert. Vorteilhafterweise kann der Abbau des

Zugeigenspannungsmaximums auch durch eine entsprechende Justierung der Kühlung optimiert werden. Denkbar ist, dass analog zur Fördergeschwindigkeit bei einem

vorgegebenen Wälzlagerring die Kühlung solange variiert wird, bis das

Zugeigenspannungsmaximum ein Minimum aufweist.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Wälzlagerring aufweisend eine Wälzkörperlaufbahn, welche mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bereichsweise gehärtet ist. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Wälzlager, insbesondere ein Großwälzlager, aufweisend den erfindungsgemäßen Wälzlagerring, wobei der Wälzlagerring die wenigstens eine Wälzkörperlaufbahn, auf welcher Wälzkörper ablaufen, aufweist und wobei die Wälzkörperlaufbahn mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens gehärtet ist.

Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Härten einer Randschicht eines Wälzlagerrings, wobei die Vorrichtung eine Wärmezuführvorrichtung zur Beaufschlagung der Randschicht mit Wärme aufweist, wobei die Vorrichtung eine

Kühlvorrichtung zum Abkühlen der Randschicht aufweist und wobei die Vorrichtung eine Walzvorrichtung zum Walzen der Randschicht aufweist. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine einfache, kostengünstige und effiziente bereichsweise Härtung von

Wälzlagerringen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren. Vorzugsweise weist die

Vorrichtung eine Transportvorrichtung zum Transportieren des Wälzlagerrings relativ zur Vorrichtung entlang einer Transportrichtung auf, wobei die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass entlang der Transportrichtung vom Wälzlagerring nacheinander die

Wärmezuführvorrichtung, die Kühlvorrichtung und die Walzvorrichtung passiert werden. Die Transportvorrichtung dreht den Wälzkörperring vorzugsweise um seine Symmetrieachse, so dass alle Bereiche des Wälzkörperrings nacheinander die feststehende

Wärmezuführvorrichtung, die feststehende Kühlvorrichtung und die feststehende

Walzvorrichtung passieren. Das Walzen des Randbereichs erfolgt somit zeitlich nach dem Härten. Die Wärmezuführvorrichtung umfasst insbesondere einen Induktionsheizer, während die Kühlvorrichtung insbesondere eine Sprenkelanlage zum Beaufschlagen des

Wälzlagerrings mit Kühlwasser umfasst.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung, sowie aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform anhand der Zeichnung. Die Zeichnung illustriert dabei lediglich eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung, welche den wesentlichen Erfindungsgedanken nicht einschränkt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum

Härten von Randschichten eines Wälzlagerrings gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ausführungsformen der Erfindung

In Figur 1 ist eine schematische Ansicht eines Verfahrens und einer Vorrichtung 3 zum Härten von Randschichten eines metallischen Wälzlagerrings 2 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt. Der Wälzlagerring 2 umfasst im vorliegenden Beispiel den inneren Lagerring eines Wälzlagers (nicht dargestellt), auf dessen außen liegender Ringfläche eine Lauffläche 1 für Wälzkörper erzeugt werden soll. Zu diesem Zweck wird die Randschicht der Ringfläche mittels der Vorrichtung 3 gehärtet. Der Wälzlagerring 2 ist auf Rollen 6 abgestützt. Die Rollen 6 sind antreibbar und dienen damit als Transportvorrichtung 5, um die Ringfläche relativ zu der feststehenden Vorrichtung 3 entlang einer Transportrichtung 8 zu transportieren.

Die Vorrichtung 3 umfasst eine als Wärmezuführvorrichtung 1 1 fungierende

Induktionsvorrichtung 9, eine Kühlvorrichtung 10, sowie eine Walzvorrichtung 4. Die

Induktionsvorrichtung 9, die Kühlvorrichtung 10 und die Walzvorrichtung 4 sind entlang der Transportrichtung 8 hintereinander angeordnet. Wenn der Wälzlagerring 2 mittels der Transportvorrichtung 5 gedreht wird, passiert jeder Teilbereich der Ringfläche zunächst die Induktionsvorrichtung 9, dessen Induktor in der Ringfläche induktiv Wirbelströme erzeugt. Der unterhalb des Induktors befindliche Teilbereich der Ringfläche heizt sich dabei durch die Wirbelströme auf. Anschließend passiert dieser aufgeheizte Teilbereich die

Abkühlvorrichtung 10, welche eine Sprenkelanlage zum Beaufschlagen der Ringfläche mit Kühlwasser aufweist. Der zuvor wärmebehandelte Teilbereich der Ringfläche wird hierdurch schlagartig abgekühlt, wodurch sich das Kristallgefüge des metallischen Ausgangsmaterials des Wälzlagerrings in diesem Randbereich derart verändert, dass eine Härtung desselben eintritt. Bei diesem Härtevorgang entsteht im Inneren des Ausgangsmaterials ein

charakteristischer Eigenspannungsverlauf. Dieser Eigenspannungsverlauf weist im gehärteten Randbereich hohe Druckeigenspannungen auf, welche dann im Übergang zwischen gehärtetem Werkstoff im Randbereich und dem ungehärteten Ausgangsmaterial im umliegenden Bereich des Wälzlagerrings in Zugeigenspannungen übergehen. Diese Zugeigenspannungen weisen unmittelbar unterhalb der gehärteten Randschicht ein

Zugeigenspannungsmaximum auf. Es wurde nun überraschend gefunden, dass durch eine gezielte Veränderung des Verlaufs dieser Eigenspannung dahingehend, dass das

Zugeigenspannungsmaximum abgebaut wird, die Tragfähigkeit des gehärteten

Randbereichs vorteilhafterweise erhöht werden kann. Zur Veränderung der

Zugeigenspannungen wird der gehärtete Teilbereich der Ringfläche anschließend mittels einer Walze 7 der Walzvorrichtung 4 gewalzt. Insbesondere wird derart gewalzt, dass die Von-Mises-Vergleichsspannung unter der Oberfläche im Bereich des Zugeigenspannungsmaximums zu einer Plastifizierung des Materials führt. Dies erfolgt typischerweise bei einer Flächenpressung mit einem Druck zwischen 3.500 und 5.500 MPa. Durch das Walzen des Teilbereichs werden die Zugeigenspannungen derart verändert, dass das unmittelbar unterhalb des gehärteten Randbereichs befindliche

Zugeigenspannungsmaximum abgebaut wird. Die gehärtete Ringfläche, welche die spätere Laufbahn 1 des Lagerrings darstellt, weist somit eine im Vergleich zum Stand der Technik gesteigerte Tragfähigkeit auf. Die Walze 7 umfasst vorzugsweise einen Wälzkörper, der auf der Ringfläche, welche die Wälzkörperlaufbahn 1 bildet, unter mechanischem Druck abläuft.