HAEUSSER BERND (DE)
DUTT ANDREAS (DE)
MUEHLEDER FRIEDRICH (DE)
MEIER GERHARD (DE)
HAEUSSER BERND (DE)
DUTT ANDREAS (DE)
MUEHLEDER FRIEDRICH (DE)
| WO2001030518A2 | 2001-05-03 |
| US5108491A | 1992-04-28 | |||
| JP2005256906A | 2005-09-22 |
Ansprüche
1. Verfahren zum Herstellen von Wälzkörpern, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte
Schmelzen eines Ausgangswerkstoffs,
Verdüsen des geschmolzenen Ausgangswerkstoffs zu Kugeln und/oder Tropfen und
Pressen der Kugeln und/oder Tropfen in einer Form unter Druck und Temperatur zu einem Wälzkörperrohling.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die meisten Kugeln und/oder Tropfen einen Durchmesser kleiner einem Millimeter (1 mm) aufweisen.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Kugeln und/oder Tropfen mit einem Durchmesser größer 0,5 mm separiert und/oder ausgesiebt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Kugeln und/oder Tropfen heiß isostatisch gepresst werden.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Rohlinge geschmiedet werden.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als
Ausgangswerkstoff Schnellarbeitsstahl, insbesondere der Schnellarbeitsstahl HS6-5-2, eingesetzt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Rohlinge nach dem Pressen mechanisch bearbeitet, insbesondere durch Schleifen und/oder Superfinishen, bearbeitet werden.
8. Wälzkörper, insbesondere Kugel, Zylinderrolle, Kegelrolle und/oder Tonne, dadurch gekennzeichnet, dass er nach einem pulvermetallurgischen Verfahren hergestellt ist.
9. Wälzkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangswerkstoff Schnellarbeitsstahl, insbesondere der Schnellarbeitsstahl HS6-5-2, eingesetzt wird.
10. Wälzkörper nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass er als Rolle (28) in einem Rollenstößel (23) einer Kraftstoffhochdruckpumpe für ein Einspritzsystem einer Brennkraftmaschine eingesetzt wird. |
Beschreibung
Titel
Verfahren zur Herstellung von Wälzkörpern
Stand der Technik
Wälzkörper sind in verschiedensten Bauformen von Wälzlagern, wie Rillenkugellager, Kegelrollenlager, Zylinderrollenlager, erfolgreich im Einsatz. Auch bei Rollenstößeln von Kraftstoffhochdruckpumpen werden zylindrische Wälzkörper erfolgreich eingesetzt.
Aufgrund der immer weiter steigenden Anforderungen an die Wälzlager bzw. die Rollenstößel von Kraftstoffhochdruckpumpen besteht der Bedarf nach besonders belastbaren Wälzkörpern. üblicherweise werden Wälzkörper zum Beispiel aus dem Werkstoff mit der Bezeichnung 100 CR6 oder einem ähnlichen Werkstoff hergestellt. Wenn an die Verschleißbeständigkeit und die Warmfestigkeit der Wälzlager besonders hohe Anforderungen gestellt werden, ist es bekannt, die Wälzkörper aus Schnellarbeitsstahl, beispielsweise dem Schnellarbeitsstahl HS6-5-2, herzustellen.
Diese Schnellarbeitsstähle weisen eine höhere Verschleißbeständigkeit und Warmfestigkeit als übliche Wälzlagerwerkstoffe auf. Allerdings enthalten sie die Legierungselemente Wolfram,
Chrom, Vanadium und/oder Kobalt. Diese Legierungselemente bilden während der Abkühlphase nach der Verschmelzung Primärkarbide. Da diese Primärkarbide hauptsächlich im inneren Bereich der abkühlenden Schmelze entstehen, sind die Karbide ungleichmäßig verteilt und es kommt zur sogenannten Karbidzeiligkeit.
Wenn dieser Werkstoff durch Umformung zu Halbzeugen veredelt wird, werden diese Primärkarbide mechanisch zerkleinert. Die dabei entstehende Karbidgröße hängt sehr stark vom Umformgrad bei der Herstellung der Halbzeuge ab und kann nach dem Umformen nicht mehr
nennenswert beeinflusst werden.
Es hat sich bei metallurgischen Untersuchungen von Schnellarbeitsstählen herausgestellt, dass bei einer Dicke des Halbzeugs von 10 mm die größten Karbide eine Größe von bis zum 30 μm Durchmesser aufweisen. Diese vergleichsweise großen Strukturen innerhalb der Halbzeuge setzen die Zugfestigkeit und auch die Wälzfestigkeit des Werkstoffs herab.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Wälzkörper bereitzustellen, deren Zugfestigkeit und Wälzfestigkeit gegenüber den herkömmlichen Wälzkörpern deutlich verbessert sind. Außerdem sollen diese Eigenschaften bei in Serie gefertigten Wälzkörpern nur innerhalb sehr geringer Bandbreiten schwanken, so dass trotz einer optimalen Ausnutzung des Werkstoffs die Ausfallquote, die sehr gering ist. Dadurch kann die Konstruktion weiter optimiert und gleichzeitig die Fehleranfälligkeit reduziert werden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen von Wälzkörpern, bei dem ein Ausgangswerkstoff, wie er üblicherweise für die Herstellung von Wälzkörpern eingesetzt wird, geschmolzen wird, dieser geschmolzene Ausgangswerkstoff verdüst wird, so dass sich Kugeln und/oder Tropfen mit kleinem Durchmesser bilden und anschließend diese Kugeln und/oder Tropfen in einer Form unter Druck und Temperatur zu einem Wälzkörperrohling gepresst werden.
Da die verdüsten Kugeln und/oder Tropfen einen sehr viel kleineren Durchmesser haben als beispielsweise die Dicke eines Halbzeugs aus dem sonst Wälzkörper hergestellt werden, sind die Kugeln/Tropfen der verdüsten Schmelze sehr homogen in ihrem Aufbau und ihrer Zusammensetzung. Dadurch wird die Entstehung der Karbidzeiligkeit bei Schnellarbeitsstählen vermieden. Durch das erfindungsgemäße Sintern der Kugeln und/oder Tropfen in einer Form wird somit ein pulvermetallurgisch hergestellter Wälzkörperrohling erzeugt, dessen Gefüge über den gesamten Querschnitt sehr homogen ist und dass insbesondere keine "Sollbruchstellen", wie sie größere Karbidkörner und die erwähnte Karbidzeiligkeit darstellen, aufweist. Daher ist der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Wälzkörperrohling hinsichtlich Wälzfestigkeit und Zugfestigkeit höher belastbar als ein durch Schmelzen als ein aus einem Halbzeug
hergestellter Wälzkörperrohling.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung hat sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die ein Großteil der verschmolzenen Kugeln und/oder Tropfen einen Durchmesser von weniger als einem Millimeter (1 mm) aufweisen. Besonders bevorzugt sind Durchmesser kleiner 0,5 mm.
Des weiteren hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Kugeln und/oder Tropfen mit einem Durchmesser größer als 0,5 mm ausgesiebt werden. Dadurch kann die Homogenität des erfindungsgemäßen Wälzkörperrohlings weiter gesteigert werden und somit auch dessen Belastbarkeit.
In praktischen Versuchen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Wälzkörperrohlinge heiß isostatisch zu pressen. Durch anschließendes Schmieden des Rohlings kann die Festigkeit weiter verbessert werden. Außerdem werden Poren im Werkstoff vermieden.
Ein besonders vorteilhafter Ausgangswerkstoff für die erfindungsgemäßen Wälzkörperrohlinge ist Schnellarbeitsstahl, wobei insbesondere der Schnellarbeitsstahl HS6-5-2, sehr gute Ergebnisse erbracht hat.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung werden die Wälzkörperrohlinge nach dem Pressen mechanisch bearbeitet, insbesondere durch Schleifen und/oder Superfinishen.
Weitere Vorteile und Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind der nachfolgenden Zeichnung, deren Beschreibung und den Patentansprüchen entnehmbar.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Es zeigen:
Figur 1 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines
Wälzkörperrohlings und
Figur 2 eine Kraftstoffhochdruckpumpe, deren Rollenstößel mit einem erfindungsgemäßen Stößel ausgestattet ist.
Ausfuhrungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Block 101 wird der Ausgangswerkstoff geschmolzen. Daraufhin wird in einem zweiten Funktionsblock dieser flüssige Ausgangswerkstoff verdüst, so dass Kugeln und/oder Tropfen einer definierten Größenverteilung entstehen. Als besonders bevorzugt haben sich dabei Größen der Tropfen und/oder Kugeln kleiner 1 mm erwiesen.
Anschließend werden die mittlerweile erstarrten Kugeln und/oder Tropfen in einer Form heiß isostatisch zu einem Wälzkörperrohling gepresst. Dieser Vorgang findet in dem vierten Funktionsblock 107 statt.
Wenn die Größenverteilung der Kugeln und/oder Tropfen nach dem Verdüsen 103 noch nicht optimal ist, können in einem optionalen Funktionsblock 105 zu große Tropfen und/oder Kugeln ausgesiebt werden.
Das Pressen der Wälzkörperrohlinge im Funktionsblock 107 erfolgt bei hoher Temperatur und hohen Drücken. Zur Vermeidung von Poren und zur Steigerung der Festigkeit, können die Rohlinge danach geschmiedet werden.
Anschließend werden die in einem fünften Funktionsblock 109 die Wälzkörperrohlinge in konventioneller Weise, beispielsweise durch Schleifen und/oder Superfmishen, fertig bearbeitet.
Die Figur 2 zeigt schematisch eine Radialkolbenpumpe zur Kraftstoffhochdruckversorgung bei Kraftstoffeinspritzsystemen, insbesondere Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystemen, von Brennkraftmaschinen im Schnitt. Die in Figur 1 dargestellte Radialkolbenpumpe ist mit einer integrierten Bedarfsmengenregelung ausgestattet. Die Fördermengenregelung erfolgt saugseitig über eine Zumesseinheit ZME.
Die in Figur 2 beispielhaft gezeigte Radialkolbenpumpe umfasst eine in einem Pumpengehäuse 1 gelagerte Antriebswelle 2 mit zwei um 180° versetzt angeordneten Nocken 36. Gegen die Nocken 36 stützen sich zwei Kolben 8 ab. Die Kolben 8 sind jeweils in einer Elementbohrung 11 in radialer Richtung hin und her bewegbar aufgenommen. Die Kolben 8 sind in einem Winkel von etwa 90° zueinander angeordnet und begrenzen an ihrem der Antriebswelle 2 abgewandten Ende einen Förderraum (nicht dargestellt).
An dem zu der Antriebswelle 2 hin gerichteten Ende der Kolben 8 stützen sich die Kolben 8 gegen einen Boden 20 eines Stößels 23 ab. Um die Kraftübertragung zwischen Kolben 8 und Boden 20 des Stößels 23 zu verbessern, ist am Kolben 8 ein Teller 14 vorgesehen. Diese Teller 14 können entweder einstückig mit dem Kolben 8 oder abnehmbar daran befestigt sein. Gegen den Teller 14 ist eine Feder 17 vorgespannt. Die Federn 17 drücken die Kolben 8 gegen die Böden 20 der Stößel 23. Von den Böden 20 der Stößel 23 erstreckt sich ein zylinderförmiger Führungskörper 26 in Richtung der nicht dargestellten Förderräume. Die Führungskörper 26 sind Teil der Stößel 23 und verhindern ein Kippen der Stößel 23 in einer Führungsbohrung. Die Stößel 23 sind in dem Pumpengehäuse 1 verschiebbar.
In den Böden 20 der Stößel 23 ist eine halbrunde Vertiefung 27 vorhanden, die zur Lagerung einer Rolle 28 dient. Die Vertiefung 27 und die Rolle 28 bilden ein Gleitlager, während sich die Rolle 28 auf der Nocke 36 der Antriebswelle 2 abwälzt. In axialer Richtung wird die Rolle 28 in der Führungsbohrung 29 fixiert. Dabei findet eine Relativbewegung zwischen den Stirnseiten der Rolle 28 und der Führungsbohrung 29 statt, die Verschleiß verursachen kann. Um die Belastbarkeit der Rolle 28 zu erhöhen, wird die Rolle 28 nach dem erfindungsgemäßen Verfahren aufpulvermetallurgischem Weg hergestellt.
Die in Fig. 2 dargestellte Radialkolbenpumpe dient dazu, Kraftstoff, der von einer Vorförderpumpe aus einem Tank geliefert wird, mit Hochdruck zu beaufschlagen. Im Förderhub werden die Kolben 8 infolge der Exzenterbewegung der Nocken 36 der Antriebswelle 2 von der Drehachse der Antriebswelle Nockenwelle 2 wegbewegt. Im Saughub bewegen sich die Kolben 8 radial auf die Achse der Nockenwelle 2 zu, um Kraftstoff in den nicht dargestellten Förderraum zu saugen.
Bei diesem Ausfuhrungsbeispiel findet die Schmierung der Nockenwelle 2 und deren Lagerung (nicht dargestellt) über eine Schmierstoffversorgung 38 mit einer Drossel 39 statt, die direkt mit Kraftstoff aus dem nicht dargestellten Kraftstofftank der Brennkraftmaschine über eine
Versorgungsleitung 40 gespeist wird. Von der Versorgungsleitung 40 zweigt eine Leitung 43 ab, welche die Zumesseinheit ZME der Radialkolbenpumpe mit Kraftstoff versorgt.