VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES LAGERRINGES DURCH ADDITIVES FERTIGUNGSVERFAHREN UND WÄLZLAGER MIT LAGERRING Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Lagerringes sowie ein Wälzlager mit einem Lagerring. Hintergrund der Erfindung

Die EP 2 825 783 B1 offenbart eine Ritzellageranordnung eines Getriebes für ein Fahrzeug oder Luftfahrzeug, die mindestens ein Rollenlager umfasst. Mindestens eines der Rollenlager ist ein Kugellager, wobei das Kugellager einen Innenring und einen Außenring aufweist. Beide Ringe weisen Laufbahnen für Kugeln, die sich innerhalb der Ringe befinden, auf. Mindestens eine Laufbahn weist einen Radius auf und die Kugeln haben einen Durchmesser. Das Verhältnis vom Radius der Laufbahn zum Durchmesser der Kugel, nämlich die Schmiegung beträgt 0,53. Ferner ist mindestens einer der Ringe aus einem Ku- gellagerstahl ausgebildet, das durch ein pulvermetallurgisches Verfahren hergestellt wird. Dazu wird eine pulvermetallurgische Komponente verwendet wird, die 0,5 bis 2,0 Gew.-% C, maximal 0,035 Gew.-% S, 3,0 bis 5,0 Gew.-% Cr, 1 ,0 bis 4,0 Gew.-% V, 1 ,0 bis 12,0 Gew.-% W und 2,0 bis 12,0 Gew.-% Mo enthält. Die Oberfläche der Laufbahnen weist eine Härte zwischen 65 HRC und 70 HRC auf und die Kugeln des mindestens einen Kugellagers sind aus keramischem Material hergestellt.

Ferner betrifft die DE 10 2010 019 587 A1 ein Wälzlager mit Lagerringen und mit Wälzkörpern, die aus einem pulvermetallurgisch hergestellten Schnellar- beitsstahl hergestellt sind, wobei der Schnellarbeitsstahl zumindest 1 ,29 bis 2 Gew.-% Kohlenstoff, 0,5 bis 0,6 Gew.-% Silizium, 0,2 bis 0,4 Gew.-% Mangan, 3,8 bis 4,8 Gew.-% Chrom, 2 bis 5 Gew.-% Molybdän, 3 bis 5, 1 Gew.-% Vanadium, 5 bis 14,3 Gew.-% Wolfram und 0 bis 1 1 Gew.-% Kobalt umfasst. Aufgabe der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung eines Lagerringes sowie ein Wälzlager mit einem Lagerring weiterzu- entwickeln, und insbesondere eine ressourceneffiziente Herstellung des Lagerrings zu realisieren.

Beschreibung der Erfindung Diese Aufgabe wird durch ein jeweiliges Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 2 sowie durch ein jeweiliges Wälzlager mit den Merkmalen der Ansprüche 6 und 7 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen der nachfolgenden Beschreibung sowie den beigefügten Figuren.

Gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Lagerringes für ein Wälzlager wird der Lagerring zumindest durch ein additives Fertigungsverfahren endkonturnah ausgebildet, wobei der Ringwerkstoff des Lagerringes zumindest 1 ,29 bis 2 Gew.-% Kohlenstoff, 0,5 bis 0,6 Gew.-% Silizium, 0,2 bis 0,4 Gew.-% Mangan, 3,8 bis 4,8 Gew.-% Chrom, 2 bis 5 Gew.-% Molybdän, 3 bis 5, 1 Gew.-% Vanadium, 5 bis 14,3 Gew.-% Wolfram und 0 bis 1 1 Gew.-% Kobalt umfasst.

Gemäß einem alternativen erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Lagerringes für ein Wälzlager wird der Lagerring zumindest durch ein additives Fertigungsverfahren endkonturnah ausgebildet, wobei der Ringwerkstoff des Lagerringes zumindest 0,5 bis 2 Gew.-% Kohlenstoff, höchstens 0,035 Gew.-% Schwefel, 3 bis 5 Gew.-% Chrom, 1 bis 4 Gew.-% Vanadium, 1 bis 12 Gew.-% Wolfram und 2 bis 12 Gew.-% Molybdän umfasst.

Mit anderen Worten erfolgt die Herstellung des Lagerrings durch ein additives Fertigungsverfahren beziehungsweise durch ein generatives Fertigungsverfahren oder einem dreidimensionalen Druckverfahren. Das additive Fertigungsver- fahren ermöglicht eine schnelle und kostengünstige Fertigung des Lagerrings, wobei die Fertigung insbesondere auf der Basis von rechnerinternen Datenmodellen aus formlosem oder form neutralem Ausgangsmaterial mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse erfolgt. Insbesondere wird ein Werkstoff pul- ver mit einer Legierungszusammensetzung, die im Wesentlichen der oben genannten Legierungszusammensetzungen entspricht, im Rahmen des additiven Fertigungsverfahrens Schicht für Schicht zu einem Lagerring verarbeitet. Die Legierungszusammensetzung des Lagerrings im fertigen endkonturnahen Zustand umfasst zumindest 1 ,29 bis 2 Gew.-% Kohlenstoff, 0,5 bis 0,6 Gew.-% Silizium, 0,2 bis 0,4 Gew.-% Mangan, 3,8 bis 4,8 Gew.-% Chrom, 2 bis 5 Gew.- % Molybdän, 3 bis 5,1 Gew.-% Vanadium, 5 bis 14,3 Gew.-% Wolfram und 0 bis 1 1 Gew.-% Kobalt oder zumindest 0,5 bis 2 Gew.-% Kohlenstoff, höchstens 0,035 Gew.-% Schwefel, 3 bis 5 Gew.-% Chrom, 1 bis 4 Gew.-% Vanadium, 1 bis 12 Gew.-% Wolfram und 2 bis 12 Gew.-% Molybdän. Insbesondere wird bei der Verarbeitung des Werkstoff pulvers ein Laser oder ein Elektronenstrahl verwendet.

Ferner bietet die Herstellung des Lagerrings durch ein additives Fertigungsverfahren die Möglichkeit einen Hochleistungswerkstoff mit der Ausbildung einer außergewöhnlichen Geometrie für einen Lagerring zu kombinieren. Dabei können insbesondere Hinterschnitte, maximale Bordüberhöhungen und nahe der Laufbahn mündende Ölversorgungskanäle, die durch eine konventionelle Fertigung des Lagerrings ausgehend von einem pulvermetallurgisch erzeugten Hochleistungsstahl nicht ermöglicht werden können, realisiert werden.

Unter endkonturnah ist zu verstehen, dass der Lagerring keiner oder nur einer geringen Nachbearbeitung unterzogen wird. Mithin wird die Geometrie des Lagerrings im Wesentlichen durch das additive Fertigungsverfahren bestimmt. Mittels additiver Fertigungsverfahren werden kleinste Stückzahlen bei großer Pro- duktvielfalt erzeugt. Dies stellt einen besonderen Vorteil gegenüber der klassischen pulvermetallurgischen Herstellroute dar. Die pulvermetallurgische Herstellroute umfasst im Wesentlichen die Verfahrensschritte Pressen, Sintern und Walzen. Vorzugweise wird zumindest eine Laufbahn, die zur Führung von Wälzkörper vorgesehen ist, einer Endbearbeitung unterzogen. Die Endbearbeitung ist vorteilhafterweise eine mechanische Bearbeitung, insbesondere eine Schleifbearbeitung oder eine Honbearbeitung. Ferner ist es auch denkbar, dass eine Zwi- schenbearbeitung oder die Endbearbeitung eine Prägung, Umformung, Be- schichtung und/oder Wärmebehandlung umfasst. Beispielsweise kann nach dem Materialauftrag ein Walzen beziehungsweise Rollieren erfolgen, um eine entsprechend hohe Verdichtung zu erzielen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das additive Fertigungsverfahren ein Auftragschweißen. Insbesondere umfasst das additive Fertigungsverfahren Laser-Pulver-Auftragschweißen. Beim Laser-Pulver-Auftragschweißen wird eine relativ dünne Schicht Werkstoff pulver mittels Laser auf ein Substrat aufgeschweißt. Dadurch werden die Oberflächeneigenschaften eines so gebildeten Hybridrings, bestehend aus Substrat und aufgeschweißtem Werkstoff, anforderungsspezifisch angepasst, wobei ein sogenanntes tailored material ausgebildet wird. Ohne eine Veränderung des Substrats werden an der Oberfläche des Hybridrings bestimmte Eigenschaften wie beispielsweise eine bestimmte Härte, eine bestimmte Verschleißfestigkeit und/oder eine bestimmte Ermüdungsfestigkeit erreicht, die dort benötigt werden. Das Substrat ist vorzugsweise ein Lagerringrohling. Die mittels Laser-Pulver-Auftragschweißen erzeugte Außenschicht verbessert die Eigenschaften des Lagerrings und ermöglicht eine nachhaltige, anwendungsspezifische Produktion des Lagerrings. Bei dem Auftragschweißverfahren wird der zu verarbeitende Hochleistungsstahl formneutral als Pulver oder in Form eines Drahtes in einem geeigneten Bearbeitungskopf einer Energiequelle wie beispielsweise einem Laser oder einem Lichtbogen zugeführt. Durch ein Trägergas wird die so erzeugte Stahlschmelze auf die Oberfläche eines Substratträgers geführt und erstarrt dort zu einem fes- ten Formkörper. Durch geeignete Manipulation von Substratträger und Bearbeitungskopf lassen sich so beliebig komplexe Geometrien endkontunah erzeugen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das additive Fer- tigungsverfahren ein Pulverbettverfahren. Unter Pulverbettverfahren sind im Wesentlichen ein Selektives-Laser-Schmelzen (LBM) und ein Selektives- Elektronenstrahl-Schmelzen (EBM) zu verstehen. Die Pulverbettverfahren ermöglichen eine Bauteilfertigung mit höchster Geometriefreiheit.

Bei pulverbettbasierten Verfahren wird ein Bauteil durch Bestrahlung einer geometrisch definierten Pulverschüttung des zu verarbeitenden Materials mit Laser- oder Elektronenstrahl schichtweise erzeugt. Die eingebrachte Energie der verwendeten Strahlung ist dabei so zu wählen, dass die Pulverschüttung im be- strahlten Bereich vollständig aufschmilzt und ein Bereich der unterhalb liegenden Schicht zur Herstellung einer festen Bindung mit angeschmolzen wird, unabhängig davon, ob bereits erstarrtes Material einer vorherigen Bestrahlung vorliegt. Nach erfolgter Bestrahlung wird eine weitere Schicht Pulver aufgebracht, wobei dann die Bestrahlung von neuem beginnt. Dieser Vorgang wird so oft wiederholt, bis das zu fertigende Bauteil komplett erstellt ist.

Ein erfindungsgemäßes Wälzlager weist zwei Lagerringe auf, nämlich einen Innenring und einen Außenring, die aus einem Ringwerkstoff ausgebildet sind, wobei der Innenring an einer Außenumfangsfläche und der Außenring an einer Innenumfangsfläche jeweils eine Laufbahn zur Führung von Wälzkörpern aufweisen, wobei die Wälzkörper auf der jeweiligen Laufbahn abwälzen, wobei der Ringwerkstoff zumindest 1 ,29 bis 2 Gew.-% Kohlenstoff, 0,5 bis 0,6 Gew.-% Silizium, 0,2 bis 0,4 Gew.-% Mangan, 3,8 bis 4,8 Gew.-% Chrom, 2 bis 5 Gew.-% Molybdän, 3 bis 5,1 Gew.-% Vanadium, 5 bis 14,3 Gew.-% Wolfram und 0 bis 1 1 Gew.-% Kobalt umfasst, und wobei mindestens einer der beiden Lagerringe zumindest durch ein additives Fertigungsverfahren hergestellt ist. Alternativ kann der Ringwerkstoff zumindest 0,5 bis 2 Gew.-% Kohlenstoff, höchstens 0,035 Gew.-% Schwefel, 3 bis 5 Gew.-% Chrom, 1 bis 4 Gew.-% Vanadium, 1 bis 12 Gew.-% Wolfram und 2 bis 12 Gew.-% Molybdän umfassen.

Insbesondere beträgt eine Härte einer Oberfläche der jeweiligen Laufbahn mindestens 62 HRC. Der Ringwerkstoff weist insbesondere ein E-Modul von mindestens 220 MPa auf. Bevorzugt beträgt eine Schmiegung zwischen der jewei- ligen Laufbahn und den Wälzkörpern, die insbesondere als Kugeln ausgebildet sind mindestens 1 ,05. Ferner bevorzugt weist die jeweilige Laufbahn eine Oberflächenrauheit mit einem Mittenrauhwert R _a von 0,005 bis 0,03, mit einer Schiefe Rsk von 0,3 bis -5 und mit einer Steilheit Rku von 3 bis 15 auf.

Unter einem Mittenrauhwert R _a ist der arithmetische Mittelwert der Beträge aller Profilwerte des Rauheitsprofils einer Oberfläche zu verstehen. Ferner ist unter einer Schiefe Rsk ein Maß für die Unsymmetrie einer Amplitudendichtekurve der Oberflächenrauheit zu verstehen. Eine negative Schiefe kennzeichnet eine Oberfläche mit gutem Tragverhalten. Die Steilheit Rku gilt als Maß für die Steilheit der Amplitudendichtekurve der Oberflächenrauheit. Bei normalverteilten Profilwerten beträgt die Steilheit Rku 3. Die Kenngrößen Schiefe Rsk und Steilheit Rku werden stark von einzelnen Spitzen und Tälern des Profils für die Oberflächenrauheit beeinflusst.

Die kugelförmigen Wälzkörper wälzen in bevorzugt rillenförmig ausgebildeten Laufbahnen am Innenring und Außenring ab, sodass der Außenring und der Innenring relativ zueinander um eine Drehachse verdrehbar sind. Die Schmiegung gibt das Verhältnis zwischen Laufbahnradius und Kugeldurchmesser an. Mithin lässt sich die Schmiegung durch Bildung des Quotienten zwischen dem jeweiligen Laufbahnradius und dem Kugeldurchmesser berechnen.

Ist der Radius der jeweiligen Laufbahn gleich dem Durchmesser der darauf abwälzenden Kugel, beträgt die Schmiegung 1 . Dementsprechend steigt die Schmiegung mit zunehmendem Laufbahnradius an. Mit steigender Schmiegung nimmt die Kontaktfläche zwischen Kugel und Kontaktbereich an der Laufbahn ab, was sich vorteilhaft bei Reibverlusten auswirkt. Mit sinkender Schmiegung vergrößert sich entsprechend die Kontaktfläche zwischen Kugel und Kontaktbereich der Laufbahn, wobei gleichzeitig die Reibverluste ansteigen.

Bevorzugt sind die Wälzkörper aus einem keramischen Werkstoff oder aus dem Ringwerkstoff ausgebildet. Mithin sind die Wälzkörper aus einer Keramik ausgebildet oder aus dem Ringwerkstoff, der zumindest 0,5 bis 2 Gew.-% Kohlen- stoff, höchstens 0,035 Gew.-% Schwefel, 3 bis 5 Gew.-% Chrom, 1 bis 4 Gew.- % Vanadium, 1 bis 12 Gew.-% Wolfram und 2 bis 12 Gew.-% Molybdän um- fasst, oder aus dem Ringwerkstoff, der zumindest 1 ,29 bis 2 Gew.-% Kohlenstoff, 0,5 bis 0,6 Gew.-% Silizium, 0,2 bis 0,4 Gew.-% Mangan, 3,8 bis 4,8 Gew.-% Chrom, 2 bis 5 Gew.-% Molybdän, 3 bis 5, 1 Gew.-% Vanadium, 5 bis 14,3 Gew.-% Wolfram und 0 bis 1 1 Gew.-% Kobalt umfasst.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel weist mindestens einer der beiden Lagerringe eine ungleichmäßige Verteilung von Legierungselementen auf. Mit anderen Worten kommt eine für den jeweiligen Anwendungsfall funktionsbedingt hochwertigere Mischung der Legierungselemente an einer Laufbahn zum Einsatz. Die hochwertige Mischung der Legierungselemente verändert sich mit zunehmendem Abstand zur Laufbahn und wird vorteilhafterweise dadurch kostengünstiger. Es erfolgt die Abbildung eines Werkstoffgradienten über den Querschnitt des Lagerrings, wobei die Mischung der Legierungselemente nur dort zum Einsatz kommt, wo diese auch benötigt wird, nämlich in der Laufbahn. Die additive Fertigung bietet zudem die Möglichkeit, Lagerringe nicht vollständig, sondern nur zum Teil aus pulvermetallurgischem Werkstoff auszubilden. Beispielsweise kann bei Verwendung von Werkstoff pulver als Ausgangswerk- stoff dessen Zusammensetzung über die Dauer des Herstellprozesses variiert und so die Zusammensetzung des Ringwerkstoffes beeinflusst werden.

Die Verwendung eines erfindungsgemäßen Wälzlagers wird zur Lagerung einer Spindelwelle oder zur Lagerung einer Verdichterwelle oder zur Lagerung einer Rotorwelle vorgeschlagen. Somit eignet sich das Wälzlager besonders gut zur Lagerung schnelldrehender Wellen. Das erfindungsgemäße Wälzlager ermöglicht eine geräusch- und verschleißoptimierte Lagerung der Welle.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren, näher dargestellt. Dabei zeigt: Figur 1 eine schematische Perspektivdarstellung eines erfindungsgemäßen Wälzlagers, und

Figur 2 eine schematische Teilschnittdarstellung einer Lageranordnung mit dem erfindungsgemäßen Wälzlager gemäß Figur 1 und mit einer Welle.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen Gemäß Figur 1 umfasst ein erfindungsgemäßes Wälzlager 1 für eine - hier nicht dargestellte - Werkzeugmaschine zwei Lagerringe 2, 3, nämlich einen Innenring 2 und einen Außenring 3 sowie radial zwischen dem Innenring 2 und dem Außenring 3 angeordnete Kugeln als Wälzkörper 6. Die Wälzkörper 6 werden durch einen Käfig 8 geführt. Das Wälzlager 1 ist als Rillenkugellager aus- gebildet.

In Figur 2 lagert das Wälzlager 1 aus Figur 1 eine Welle 7. Die Welle 7 ist vorliegend als Spindelwelle der Werkzeugmaschine ausgebildet und nur teilweise dargestellt. Der Innenring 2 weist an einer Außenumfangsfläche eine Laufbahn 4 zur Führung der Wälzkörper 6 auf. Ferner weist auch der Außenring 3 an einer Innenumfangsfläche eine Laufbahn 5 zur Führung der Wälzkörper 6 auf. Die Wälzkörper 6 wälzen auf der jeweiligen Laufbahn 4, 5 zwischen dem Innenring 2 und dem Außenring 3 ab, wobei die Wälzkörper 6 aus einem keramischen Werkstoff ausgebildet sind.

Der Innenring 2 und der Außenring 3 sind aus einem Ringwerkstoff ausgebildet, wobei der Ringwerkstoff vorliegend zumindest 1 ,29 bis 2 Gew.-% Kohlenstoff, 0,5 bis 0,6 Gew.-% Silizium, 0,2 bis 0,4 Gew.-% Mangan, 3,8 bis 4,8 Gew.-% Chrom, 2 bis 5 Gew.-% Molybdän, 3 bis 5, 1 Gew.-% Vanadium, 5 bis 14,3 Gew.-% Wolfram und 0 bis 1 1 Gew.-% Kobalt umfasst. Alternativ kann der Ringwerkstoff zumindest 0,5 bis 2 Gew.-% Kohlenstoff, höchstens 0,035 Gew.- % Schwefel, 3 bis 5 Gew.-% Chrom, 1 bis 4 Gew.-% Vanadium, 1 bis 12 Gew.- % Wolfram und 2 bis 12 Gew.-% Molybdän umfassen. Beide Lagerringe 2, 3 wurden durch ein additives Fertigungsverfahren aus einem Werkstoff pulver endkonturnah ausgebildet. Ferner wurden die beiden Laufbahnen 4, 5 einer Endbearbeitung durch Schleifen unterzogen.

Bezugszeichenliste

Wälzlager

Innenring; Lagerring

Außenring; Lagerring

Laufbahn

Laufbahn

Wälzlager

Welle

Käfig