DE102020103407A1

DE102020103407A1 - Axialscheibe

Info

Publication number: DE102020103407A1
Application number: DE102020103407.5A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Fugel
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2020-02-11
Filing date: 2020-02-11
Publication date: 2021-08-12

Abstract

Axialscheibe, wobei sie aus einem einsatzgehärteten Stahlband (2) gestanzt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Axialscheibe.
Eine Axialscheibe dient üblicherweise der axialen Abstützung oder Lagerung eines in der Regel drehbar gelagerten Bauteils, beispielsweise eines Planetenrades eines Planetengetriebes oder dergleichen. Ein Beispiel für eine solche Axialscheibe in Form einer Anlaufscheibe für ein Planetengetriebe ist aus DE 103 34 880 A1 bekannt. Das heißt, dass eine solche Axialscheibe demzufolge als Lagerscheibe dient, die eine Laufbahn für ein Wälzlager oder für eine Gleitlageranwendung darstellt.
Eine solche Axialscheibe kann als einfache flache Scheibe ausgeführt sein und als reine axiale Anlaufscheibe dienen, wie beispielsweise in DE 103 34 880 A1 beschrieben. Darüber hinaus kann eine solche Axialscheibe auch strukturiert sein, also beispielsweise mit einer Schmiermittelleitkontur oder Ähnlichem, die in einem Umformprozess eingearbeitet wird, versehen sein. Zur Herstellung einer solchen Axialscheibe wird üblicherweise ein Stahlband verwendet, aus dem die Axialscheibe ausgestanzt wird, wobei sich, wenn es die Zielgeometrie der Axialscheibe verlangt, hieran ein Umformschritt anschließen kann, im Rahmen dessen eine entsprechende dreidimensionale Umformung der flachen Scheibe erfolgt, sofern dies nicht bereits während des Stanzvorgangs vorgenommen wird. Um die Axialscheibe vor Verschleiß zu schützen, schließt sich an den Stanz- und gegebenenfalls Umformvorgang ein Härteschritt an, im Rahmen dessen die gestanzten Axialscheiben gehärtet werden, um die Materialhärte zu erhöhen. Dieser Härtevorgang ist mit einem oder mehreren Wärmebehandlungsschritten verbunden, im Rahmen welcher die Axialscheiben stark erhitzt und rasch abgekühlt werden. Hierbei kann es zu einem Verzug kommen, das heißt, dass sich die thermische Behandlung nachteilig auf die Geometriegenauigkeit der Scheibe auswirkt, mithin also die Formgenauigkeit hierunter leidet. Aus diesem Grund sind diese Wärmebehandlungen oft langdauernd und aufwändig ausgelegt, um etwaige nachteilige Auswirkungen auf die Formgenauigkeit zu vermeiden.
Während üblicherweise zur Herstellung der Axialscheiben ein weiches Stahlband verwendet wird, und die gestanzten respektive umgeformten Scheiben nachfolgend gehärtet werden, ist es aus DE 103 34 880 A1 bekannt, ein vorgehärtetes Stahlband zu verwenden und die Axialscheiben aus diesem auszustanzen. Dieses vorgehärtete Bandmaterial weist zwar eine deutlich höhere Grundhärte als weiches, nicht vorgehärtetes Stahlband auf, so dass die gestanzten Axialscheiben für Anwendungen eingesetzt werden können, bei denen keine allzu hohe Axiallast auf die entsprechenden Laufflächen wirken, wie beispielsweise im Rahmen einer Anwendung als einfache axiale Anlaufscheibe, wie in DE 103 34 880 A1 vorgesehen. Für Lageranwendungen, bei denen jedoch Härtegrade verlangt werden, wie sie für übliche Wälzlageranwendungen nötig sind, kann ein vorgehärtetes Stahlband nicht verwendet werden, da es die gewünschten Härtewerte nicht aufweist. Ein vorgehärtetes Stahlband, das derartige Härtewerte aufweisen würde, könnte dann aber nicht mehr gestanzt werden. Ein weiterer Nachteil der Verwendung eines vorgehärteten Stahlbandes ist ferner darin zu sehen, dass aufgrund der durch die Vorhärtung eingestellten Härte des Stahlbands, das nahezu durchgehärtet ist, die Axialscheibe nicht mehr umgeformt werden kann, also entsprechende Strukturen eingebracht respektive Geometrien eingeformt werden können, wie sie aber manchmal anwendungsbedingt erforderlich sind.
Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, eine demgegenüber verbesserte Axialscheibe anzugeben.
Zur Lösung dieses Problems ist erfindungsgemäß eine Axialscheibe vorgesehen, die sich dadurch auszeichnet, dass sie aus einem einsatzgehärteten Stahlband gestanzt ist.
Die Erfindung sieht vor, als Ausgangsmaterial für die Scheibenherstellung ein einsatzgehärtetes Stahlband zu verwenden, also weder ein weiches, thermisch nicht vorbehandeltes Stahlband noch ein vorgehärtetes Stahlband, wie bisher im Stand der Technik üblich. Stattdessen kommt ein einsatzgehärtetes Stahlband zur Anwendung, das ausgehend von einem unbehandelten Stahlband durch Aufkohlen, Härten und Anlassen nur an den oberflächennahen Randschichten gehärtet ist, nicht aber über den Bandquerschnitt. Durch das Einsatzhärten wird demzufolge eine harte Stahlbandoberfläche bei gleichzeitig weichem, zähem Kern erhalten. Dies wird erreicht, indem beim Einsatzhärten des Stahlbands die Randschicht des Bandes in einem zur Aufkohlung geeigneten Medium mit Kohlenstoff angereichert wird, so dass randschicht- bzw. oberflächennah Kohlenstoff eindiffundiert und sich ein von der Oberfläche zum Kern hin ergebendes Kohlenstoffprofil einstellt. An diesen Aufkohlungsschritt schließt sich zur Einstellung der Randhärte und der Einsatzhärtungstiefe das Härten und Anlassen an. Am Ende des Härtevorgangs liegt demzufolge ein einsatzgehärtetes Stahlband vor, das nur in sehr dünnen Oberflächenschichten gehärtet ist, während der Kern nach wie vor in einem weichen, vergüteten Zustand verbleibt.
Dies erlaubt die Herstellung von Axialscheiben durch Stanzen aus dem einsatzgehärteten Stahlband, da die mechanischen Eigenschaften des einsatzgehärteten Standbandes ein Ausstanzen ohne weiteres ermöglichen. Die Oberflächenhärte bietet einerseits einen sehr guten Verschleißschutz, andererseits auch eine hinreichend hohe Belastbarkeit und auch eine hohe Dauerfestigkeit, verbunden mit einer guten Biegewechselfestigkeit resultierend aus dem nach wie vor zähen Kern. Daher eignen sich die Axialscheiben aus dem einsatzgehärteten Stahlband auch für sehr viele Anwendungen, in denen auch höhere Lasten anliegen, bis hin zu Wälzlageranwendungen, da die Härtewerte der einsatzgehärteten Randschichten die Anforderungen auch an einen solchen Einsatz erfüllen.
Und nicht zuletzt besteht grundsätzlich die Möglichkeit, resultierend aus dem nach wie vor vorhandenen, weichen Kern des Scheibenmaterials, dass die Axialscheibe auch umgeformt werden kann, um entweder Strukturen einzubringen oder sonstige Geometrieänderungen vorzunehmen, was bei Verwendung eines vorgehärteten Stahlbands gerade nicht möglich ist.
Insgesamt bietet daher die Verwendung eines einsatzgehärteten Stahlbands überraschenderweise eine Reihe von Vorteilen gegenüber der bisherigen Verwendung entweder eines härtemäßig unbehandelten, weichen Stahlbands oder eines vorgehärteten Stahlbands. Denn zum einen entfallen etwaige dem Stanzen nachgeschaltete thermische Behandlungen zum Härten, da aufgrund der Einsatzhärtung bereits entsprechend harte oberflächennahe Randschichten gegeben sind. Zum anderen erlaubt es das einsatzgehärtete Stahlband mit dem zähen Kern, die Axialscheiben ohne Probleme auszustanzen und auch bei Bedarf umzuformen, ohne der Gefahr eines späteren Härteverzugs, da wie beschrieben keine Wärmebehandlung mehr folgt. Schließlich erlauben die mechanischen Eigenschaften einer solchen Axialscheibe, insbesondere die oberflächlichen Härtewerte, die Verwendung einer solchen Axialscheibe in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen, und insbesondere auch solchen, wo höhere Lasten anliegen, wie z. B. bei Wälzlagerbeanspruchungen, da durch das Einsatzhärten oberflächlich hinreichend hohe Härtewerte eingestellt werden können, bei gleichzeitigem Erhalt des weichen, zähen Kerns.
Wie beschrieben weist die Axialscheibe im einfachsten Fall eine flache Form auf, kann aber auch hierbei eine beliebige Stanzgeometrie aufweisen, also beispielsweise über die Fläche mit Durchbrechungen versehen sein, oder entsprechende Randgeometrien aufweisen etc. Daneben besteht natürlich zusätzlich auch die Möglichkeit, dass die Axialscheibe ausgehend von einer ebenen Form eine durch Umformen erzeugte dreidimensionale Form aufweist, wobei unter einer dreidimensionalen Form grundsätzlich auch die Ausbildung oberflächlicher Strukturen wie beispielsweise von Beölungskonturen in Form von Schmiermittelnuten oder Ähnliches, die eingeprägt sind, oder tatsächliche dreidimensionale Umformungen wie Wölbungen oder dergleichen zu verstehen sind. Das heißt, dass beliebige Formen eingebracht werden können, beispielsweise durch Aufwölben oder lokales Aufbiegen, oder die Ausbildung randseitig abstehender Elemente für Verdrehsicherungen oder Kodierungen etc. All dies ist aufgrund der Verwendung eines einsatzgehärteten Stahlbands als Basismaterial ohne weiteres möglich.
Die Umformung erfolgt zweckmäßigerweise durch Prägen mit einem entsprechenden Prägewerkzeug, wobei dieses Umformen zumeist dem eigentlichen finalen Stanzschritt vorgeschaltet ist. Das Bandmaterial wird also üblicherweise zunächst mit geringem Aufmaß am Innen- und Außendurchmesser vorgestanzt, woran sich der Prägeschritt anschließt, gefolgt vom finalen Stanzen auf das Fertigmaß. Alternativ dazu kann auch ein kombinierter Stanz-Präge-Schritt verwendet werden, mit dem die Axialscheibe aus dem Stahlband gearbeitet wird, das heißt, dass das Stanzen und Prägen quasi in einem Arbeitsgang erfolgt.
Die Axialscheibe selbst sollte eine Dicke ≤ 3,0 mm, insbesondere ≤ 2,0 mm und vorzugsweise ≤ 1,5 mm aufweisen. Das heißt, dass das verwendete einsatzgehärtete Stahlband eine Stahlbanddicke ≤ 3,0 mm, insbesondere ≤ 2,0 mm und vorzugsweise ≤ 1,5 mm aufweist, welche Dicke die Axialscheibe beibehält. Die Tiefe der oberflächlich gehärteten Bereiche, also die Einhärtetiefe CHD bzw. EHT ist wie üblich ≥ 0,078 x Wälzkörperdurchmesser, der verbleibende Kern ist wie beschrieben nach wie vor hinreichend zäh.
Neben der Axialscheibe selbst betrifft die Erfindung ferner ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Axialscheibe, das sich dadurch auszeichnet, dass sie aus einem einsatzgehärteten Stahlband gestanzt wird.
Die Axialscheibe kann entweder eine ebene, also flache Form aufweisen, oder eine dreidimensionale Form, die durch Umformen erzeugt wird, wobei diese dreidimensionale Form auch die bloße Ausbildung etwaiger oberflächlicher Strukturierungen oder tatsächliche dreidimensionale Geometrien umfasst.
Diese dreidimensionale Form wird zweckmäßigerweise durch Prägen erzeugt, wobei dieses Prägen entweder in einem separaten Prägeschritt üblicherweise vor dem eigentlichen Stanzen vorgenommen wird. Alternativ dazu kann die Axialscheibe auch in einem kombinierten Stanz-Präge-Schritt erzeugt werden.
Das verwendete Stahlband weist eine Dicke ≤ 3,0 mm, insbesondere ≤ 2,0 mm und vorzugsweise ≤ 1,5 mm auf. Dementsprechend weist auch die Axialscheibe eine Materialdicke ≤ 3,0 mm, insbesondere ≤ 2,0 mm und vorzugsweise ≤ 1,5 mm auf.
Ein Beispiel für eine solche Axialscheibe ist eine Axialscheibe mit Laufbahnen für Wälzlageranwendungen. Da nur die flache Seite als Funktionsfläche, nämlich als Laufbahn benötigt wird, ergeben sich durch die erfindungsgemäße Verwendung eines einsatzgehärteten Stahlbands eine Reihe von Vorteilen. Zum einen kann, verglichen mit einem vorgehärteten und damit komplexer behandelten Stahlband, ein weniger aufwändig vorprozessiertes Bandmaterial verwendet werden. Es ist keine Wärmebehandlung zur eigentlichen Härteeinstellung erforderlich, was wiederum dazu führt, dass die Gefahr geometrischer Veränderungen infolge einer solchen Wärmebehandlung entfällt und die hohe Formgenauigkeit nach dem Stanz- oder Stanz-Präge-Vorgang beibehalten bleibt. Aufgrund des weichen Kerns ist die Scheibe auch auf Biegung beanspruchbar.
Ein weiteres Anwendungsbeispiel sind Axialscheiben in Sonderbauformen, wie beispielsweise Axialscheiben mit entsprechenden Schmiermittelkonturen, beispielsweise einer evolventenartigen Beölungskontur, die durch Prägen hergestellt ist. Infolge der hier fehlenden Wärmebehandlung ergibt sich keinerlei Gefahr eines Geometrieverzugs der dreidimensional umgeformten Axialscheibe, wie aufgrund des weichen Kerns auch hier eine Biegebeanspruchung möglich ist.
Ein drittes Beispiel sind Axialscheiben mit umgestellten Verdrehsicherungen oder ähnlichen geometrischen Elementen, die im Stanz- oder Stanz-Präge-Vorgang randseitig ausgebildet werden. Auch diese Verdrehsicherungen, die nach dem Stanzen durch Umformen entsprechend umgestellt werden, können ohne weiteres ausgebildet werden, da es der weiche Kern problemlos zulässt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:

1 eine Prinzipdarstellung, geschnitten, einer erfindungsgemäßen Axialscheibe, und
2 eine Prinzipdarstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

1 zeigt in Form einer Prinzipdarstellung eine erfindungsgemäße Axialscheibe 1, die hier als einfache ebene Anlaufscheibe ausgeführt ist, wie sie beispielsweise zur Abstützung eines Planetenrades eines Planetengetriebes verwendet werden kann.
Die Axialscheibe 1 wurde durch Stanzen aus einem einsatzgehärteten Stahlband 2 einer Dicke von vorzugsweise ≤ 3 mm hergestellt. Sie weist zwei Arbeits- oder Funktionsflächen 3, 4 auf, die im Betrieb belastet werden. Diese Flächen werden über einsatzgehärtete Randschichten 5, 6 des Stahlbands 2 gebildet respektive definiert, welche Randschichten 5, 6 im Querschnitt des Stahlbands 2 gestrichelt dargestellt sind. Die Randschichten 5, 6 erstrecken sich, letztlich unabhängig von der Dicke des Stahlbands 2 respektive der Axialscheibe 1, gemäß der Faustformel Einhärtetiefe = 0,078 x Wälzkörperdurchmesser tief in das Stahlbandmaterial, gefolgt von einem Kern 7, der nach wie vor weicher, also zäh ist, demzufolge also nicht gehärtet ist und nicht die hohen Härtewerte aufweist, wie sie die Randschichten 5, 6 zeigen.
Der Umstand, dass ein nur einsatzgehärtetes Stahlband 2 verwendet wird, erlaubt es, das Stahlband 2 entsprechend zu stanzen, also die Axialscheibe 1 aus dem Stahlband 2 herauszustanzen, obgleich die Randschichten 5, 6 hohe Härtewerte aufweisen, resultierend aus der grundsätzlichen Weichheit oder Zähigkeit des Kernmaterials. Darüber hinaus wäre grundsätzlich auch noch ein lokales Umformen möglich, um dreidimensionale Strukturen auszubilden, wenn erforderlich. Das Umformen ist aufgrund der Weichheit des Kernmaterials möglich. Ferner erlaubt die Weichheit des Kernmaterials auch eine gewisse Biegebeanspruchung. Die hohen Härtewerte der Randschichten 5, 6 erlauben es aber auch, die Axialscheibe 1 hinreichend stark zu belasten, lassen also auch Wälzlageranwendungen zu, da durch das Einsatzhärten lokale Randschichthärten mit Härtewerten erreicht werden können, wie sie für Wälzlageranwendungen vorgegeben sind.
2 zeigt eine Prinzipdarstellung zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Ausgangsmaterial ist ein Stahlband 2, das hier exemplarisch von einer Rolle abgewickelt wird. Es wird eine Stanzvorrichtung 8, bei der es sich um eine kombinierte Stanz-Präge-Vorrichtung handeln kann, zugeführt, wo es bearbeitet wird, um aus dem Stahlband 2 die entsprechenden Axialscheiben 1 auszustanzen und gegebenenfalls während des Stanzvorgangs auch gleich umzuformen. Alternativ, wenngleich hier nicht gezeigt, kann der reinen Stanzvorrichtung eine Prägevorrichtung vorgeschaltet sein, über die das Stahlband 2 zunächst lokal geprägt wird, wonach das Ausstanzen erfolgt.
Bezugszeichenliste

1: Axialscheibe
2: Stahlband
3: Arbeits- oder Funktionsfläche
4: Arbeits- oder Funktionsfläche
5: Randschicht
6: Randschicht
7: Kern
8: Stanzvorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10334880 A1 [0002, 0003, 0004]

Claims

Axialscheibe, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem einsatzgehärteten Stahlband (2) gestanzt ist.
Axialscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie ausgehend von einer ebenen Form eine durch Umformen erzeugte dreidimensionale Form aufweist.
Axialscheibe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sie durch Prägen umgeformt ist.
Axialscheibe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie in einem kombinierten Stanz-Präge-Schritt aus dem Stahlband (2) erzeugt ist.
Axialscheibe nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Dicke ≤ 3,0 mm, insbesondere ≤ 2,0 und vorzugsweise ≤ 1,5 mm aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Axialscheibe (1), dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem einsatzgehärteten Stahlband (2) gestanzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie durch Umformen eine dreidimensionale Form erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die dreidimensionale Form durch Prägen erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die sie in einem kombinierten Stanz-Präge-Schritt erzeugt wird, oder dass sie zuerst geprägt und anschließend gestanzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stahlband (2) mit einer Dicke ≤ 3,0 mm, insbesondere ≤ 2,0 mm und vorzugsweise ≤ 1,5 mm verwendet wird.