DE19509912A1 - Verfahren und Vorrichtung zum zielgerichteten Einbringung von Spannungen beim Walzen von Ringen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft das zielgerichtete Einbringen von Spannungen beim Walzen von Ringen durch Kaltwalzen mit einer rotationsangetriebenen Profilwalze und einer von einem zustellbaren Walzschlitten getragenen Dornwalze, welche jeweils mit einem der äußeren Mantelfläche des herzustellenden Ringes entsprechenden Gegenprofil versehen sind und einen Walzspalt einschließen, wobei die Ringformgebung ausgehend von einem Ringrohling bei Walzspaltzustellung unter Wandstärkeverminderung sowie radialer Aufweitung bis zur Erreichung des Nennringmaßes erfolgt und die Steuerung in Abhängigkeit des Ringaußendurchmessers mittels einer Meßwalze vorgenommen wird.

Das Kaltwalzen von Ringen zeichnet sich bei der Fertigung rotationssymmetrischer Präzisionskugellagerringe durch eine besonders hohe Wirtschaftlichkeit aus. Diese ist im wesentlichen begründet durch die Materialeinsparung des nicht spanabhebenden Verfahrens, durch die infolge der Kaltumformung entstehende Kaltverfestigung des Materials und durch die gegenüber spanabhebenden Verfahren erheblich verkürzten Fertigungszeiten. Darüber hinaus lassen sich mit Hilfe der entsprechend ausgeformten Profilwalzen eine Vielfalt von Außenmantelformen mit Konturabsätzen oder Übergangsradien herstellen, wie sie mit anderen Umformungsverfahren prinzipiell nicht zu erreichen sind.

Werkstücktypisch ist die hohe Maßhaltigkeit bei gleichzeitig geringer Rauhtiefe der Werkstückoberfläche. Deshalb wird dieses Verfahren bevorzugt für die Herstellung von Präzisionsringen verwendet. Gegenüber der Herstellung eines Ringes durch eine spanabhebende Fertigung, wie sie das Drehen darstellt, ist auch eine größere Wirtschaftlichkeit bei der Nachbearbeitung zu verzeichnen. Nach wie vor besteht jedoch bei der Herstellung von Präzisionsringen das Problem einer ungenügenden Kreisform des Ringes nach dem Härten, der durch einen Härteverzug hervorgerufen wird. Durch den Härteverzug resultieren Formabweichungen vom Kreis, die nach der Wärmebehandlung einen zusätzlichen Aufwand bei der Fertigbearbeitung durch Schleifen erfordern.

Wenn der Rundlauffehler das Schleifaufmaß übersteigt, verbleibt eine unsaubere Stelle, die beim Erreichen des Sollmaßes nicht vollständig überschliffen wird. Dadurch wird das Werkstück gegebenenfalls unbrauchbar. Bei gehärteten Werkstücken ist deshalb im besonderen auf einen möglichen Härteverzug zu achten und dieser zu verhindern oder zu berücksichtigen.

Bislang war man bestrebt, bei möglichen Formabweichung Abhilfe mit einer größeren Maßhaltigkeit des Ringes zu schaffen. In der DE Patentschrift 27 01 593 wurde ein Maßwalzverfahren mit einer verbesserten Form - und Maßhaltigkeit der gewalzten Rotationskörper vorgeschlagen, das bei gleichzeitig möglichen gröberen Ausgangstoleranzen des Werkstückrohlings und bei wechselnden Betriebsbedingungen erreicht werden soll. Hierbei wurde vorgeschlagen, daß die Zustellung der Arbeitswalzen aufeinander zu mit einer relativen Geschwindigkeit von nicht mehr als 0,1 mm pro Umdrehung erfolgen soll. Durch die Begrenzung der Geschwindigkeit, mit der die Walzen aufeinander zu bewegt werden, soll sicher gestellt werden, daß während des Walzvorganges keine Störungen in der Materialverdrängung auftreten können, so daß damit das Walzen auf genaues Maß und exakte Rundheit möglich wird. Des weiteren wurde vorgeschlagen, das Auseinanderbewegen der Arbeitswalzen mit einer relativen Geschwindigkeit von nicht größer als 0,1 mm pro Umdrehung des Werkstückes erfolgen zu lassen. Hierdurch kann bei Werkstoffen mit bestimmten Eigenschaften verhindert werden, daß infolge einer falschen Rückzugsgeschwindigkeit nachträglich noch ein Form - oder Maßfehler in das bereits fertig gewalzte Werkstück hineingebracht wird.

In der DE Patentschrift 15 25 291 wurde hierzu außerdem vorgeschlagen, ein Glätten des herzustellenden Lagerringes vorzunehmen, wenn alle kritischen Bereiche des Lagerringes an dem Profil des Walzdornes und der Profilwalze anliegen. Durch das Glätten beziehungsweise durch die vorangehend vorgeschlagene Begrenzung der Zustellgeschwindigkeit der Walzwerkzeuge erfolgt nur noch ein leichtes Fließen des Werkstoffes, was eine Verbesserung der Abmessungen und der Form des herzustellenden Lagerringes bewirkt. Dies beruht auf der Tatsache, daß bei einer größeren Umformgeschwindigkeit zunehmend eine Wulstbildung vor dem Walzspalt in Erscheinung tritt, die sich nachteilig auf die Maßhaltigkeit und die Form des Lagerringes auswirkt. Es handelt sich um einen in Umfangsrichtung voranlaufenden Aufstau des nicht umgeformten Materials vor der Profilwalze beziehungsweise der Dornwalze, der zu hohen Reibungsverlusten und zusätzliche Werkstoffspannungen führen kann.

Bei weiterer Erhöhung der Umformgeschwindigkeit wird der Wulstgrat überwalzt, wodurch sich eine nicht funktionsfähige Oberfläche ausbilden kann. Dem kann mit einer geringeren Umformungsgeschwindigkeit entgegen gewirkt werden. Hierbei sinkt jedoch die Wirtschaftlichkeit des Kaltwalzverfahrens infolge einer längeren Bearbeitungsdauer.

Ferner kann bei der genannten Verfahrensweise eine durch Werkstoffspannungen bedingte und durch das Härten hervorgerufene Vergrößerung des Kreisformfehlers nicht verhindert werden. Beim Überschreiten der zulässigen Toleranzen entsteht bei der nachfolgenden Hartbearbeitung ein zusätzlicher Aufwand, der die Herstellung eines Ringes unverhältnismäßig verteuert.

Bekannt ist beim spanabhebenden Herstellen von Ringen, daß nach dem Härten eine gewisse Veränderung des äußeren Ringdurchmessers nachweisbar ist. Dies ist im wesentlichen durch mechanische und thermische Belastungen der Werkstoffoberfläche beim Spanabheben bedingt. In deren Ergebnis kommt es zu Restspannungen in der erzeugten Oberfläche, die durch Wärmeeinwirkung beim Härten freigesetzt werden und zu einem Härteverzug führen.

Obwohl kalt gewalzte Ringe weitgehend homogene Eigenspannungen aufweisen, besteht gleichwohl das Bestreben, bei der Herstellung die Formabweichungen von rotationssymmetrischer Präzisionsringen vor der Hartbearbeitung zu minimieren.

Infolgedessen bezweckt die Erfindung die Herstellung von kaltgewalzten Ringen, mit zielgerichtet eingebrachten Spannungen, die einen geringeren Härteverzug zur Folge haben.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß nach Feststellen des Nennringmaßes die Dornwalze durch Zurückfahren des Walzschlittens und Öffnen des Walzspaltes außer Eingriff gebracht und anschließend der Ring während einer Rotation um die eigene Achse mit Hilfe der sich drehenden Profilwalze und mit mehreren den Ring abstützenden Druckwalzen mit einem radialen Außendruck beaufschlagt wird. Dadurch können in den Ring zielgerichtet Spannungen eingebracht werden, die einen geringeren Härteverzug zur Folge haben.

Die Erfindung beruht darauf, daß beim Kaltwalzen von Ringen auf einen Teil der Ringoberfläche durch die Profilwalze und die Dornwalze Druckspannungen aufgebracht werden. Diese rufen im Walzspalt während der Umformung erhebliche Spannungen innerhalb des Werkstoffes hervor, die den Werkstoff zum Fließen bringen. Diese bewirken im besonderen tangentiale Zugspannungen, die einen Härteverzug auslösen. Dem kann man mit Hilfe der Erfindung entgegenwirken.

Gemäß einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Bewirken des radialen Außendruckes neben der rotationsangetriebenen Profilwalze mindestens zwei Druckwalzen vorgesehen werden.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es zweckmäßig, daß der radiale Außendruck mit Hilfe eines zweiten Schlittens der Ringwalzmaschine bewirkt wird. Dies ermöglicht eine besonders rationelle Herstellung der Ringe, indem die Durchführung des Verfahrens im gleichen Arbeitsgang wie das eigentliche Walzen erfolgen kann. Infolgedessen entfällt eine nochmalige Handhabung der Ringe.

Die Vorrichtung zum zielgerichteten Einbringen von Spannungen beim Walzen von Ringen ist dadurch gekennzeichnet, daß für das Bewirken des radialen Außendruckes die Druckwalzen in einem zweiten Schlitten gelagert sind, der mit einer zwischen den Druckwalzen angreifenden Druckerzeugungseinrichtung wirkverbunden ist. In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der zweite Schlitten mit Hilfe einer zu diesem Zweck modifizieren Meßeinrichtung der Ringwalzmaschine realisiert wird. Dadurch unterscheidet sich die Konstruktion der Ringwalzmaschine nur in einigen speziellen und funktionsbedingten Konstruktionsmerkmalen, was bei der Herstellung der Ringwalzmaschine dienlich ist.

Zweckmäßig ist außerdem, daß die den radialen Außendruck bewirkende Druckerzeugungseinrichtung durch einen druckmittelangetriebenen Arbeitszylinder gebildet wird. Dies wird im Rahmen der Erfindung durch einen Hydraulikzylinder bewirkt, welcher zweckentsprechend mit einem Teilstrom der Hydraulikflüssigkeit versorgt wird, welche durch eine Hydraulikpumpe für den Schlittenantrieb der Dornwalze der Profilwalzmaschine vorgesehen ist.

Nachfolgend soll die Erfindung im Rahmen eines Ausführungsbeispiels und anhand von Zeichnungen näher erläutert werden. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine Teilansicht einer Ringwalzmaschine mit der Profilwalze und dem Walzdorn mit einem zu walzenden Ringrohling zum Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens,

Fig. 2 eine Teilansicht der Ringwalzmaschine nach dem Kaltwalzen und

Fig. 3 eine Teilansicht der Ringwalzmaschine mit dem im aktiven Eingriff mit dem Ring stehenden zweiten Schlitten in schematischer Darstellung.

In Fig. 1 ist eine Teilansicht einer Ringwalzmaschine dargestellt, die in der Hauptsache eine rotationsangetriebene Profilwalze 1 mit einem Ringformungsabschnitt aufweist, der mit einem Außenprofil versehen ist, welches einem entsprechenden Gegenprofil versehen ist, das dem in Fig. 2 dargestellten Ring 2, beispielsweise einem Wälzlagerring, entspricht. Unterhalb der Profilwalze 1 befindet sich eine in Richtung des Doppelpfeils 3 zustellbar angeordnete Dornwalze 4, die einen der Innenkontur des Ringes 2 entsprechenden Formgebungsabschnitt aufweist. Zwischen den beiden Formgebungsabschnitten der Profilwalze 1 und der Dornwalze 4 wird ein Walzspalt 5 gebildet, in welchem ein durch Kaltwalzen zu bearbeitender Ringrohling 6 aufgenommen wird. Die Dornwalze 4 ist mit Hilfe eines nicht weiter ausgeführten Walzschlittens so angeordnet, daß sie zur Profilwalze 1 in Richtung des Doppelpfeils 3 hin und wieder von dieser weg bewegt werden kann. Die Dornwalze 4 ist ebenfalls in axialer Richtung senkrecht zur Hin- und Herbewegung, die durch den Doppelpfeil 3 angedeutet ist, bewegbar, damit der Ringrohling 6 in den zwischen der Dornwalze 4 und der Profilwalze 1 gebildeten Walzspalt 5 eingeführt werden kann. Der Ringrohling 6 wird durch Kaltwalzen zwischen der Profilwalze 1 und der Dornwalze 4 zu einem Ring 2 ausgeformt, wie er in Fig. 2 in seiner endgültigen Größe dargestellt ist.

Beim Kaltwalzen wird die Profilwalze 1 in Richtung des Pfeiles 7 drehangetrieben und mit Hilfe einer hydraulisch eingeleiteten Umformkraft wird die Dornwalze 4 unter Verringerung des Walzspaltes 5 gegen die Profilwalze 1 verschoben. Infolge der eingeleiteten Druckspannungen wird der Werkstoff zum Fließen gebracht und das Profil der Ringformgebungsabschnitte auf den Ringrohling 6 übertragen. Die Wanddicke des Ringrohlings 6 verringert sich und wegen der praktisch konstant gehaltenen Ringbreite tritt eine wesentliche Durchmesservergrößerung ein. Zur Einbringung einer zusätzlichen Biegespannung ist außerdem eine Rundwalzeinrichtung 8 vorgesehen. Bei weiterer Verringerung des Walzspaltes 5 unter Zustellen der Dornwalze 4 gegenüber der Profilwalze 1 dauert die Wandstärkenreduzierung und die Durchmesservergrößerung des Ringes 2 an, bis er den in Fig. 2 dargestellten Endzustand erreicht hat.

Außerdem ist eine Meßwalze 9 vorgesehen, um die Lage des Außenumfanges des Ringes 2 festzustellen, wobei nach Erreichen des gewünschten Enddurchmessers am Ende einer gewissen Kalibrierzeit das Nennmaß des Ringes 2 detektiert wird. Mit Hilfe der Meßwalze 9 wird ein Meßsignal 10 an eine Zentrale Prozessoreinheit abgegeben, die daraufhin den Umformvorgang beendet und den Walzenrücklauf der Dornwalze 4 einleitet.

Nach dem Rücklauf der Dornwalze 4 wird ein zweiter Walzschlitten 11 mit einer ersten Druckwalze 12 und einer zweiten Druckwalze 13 zugestellt. Danach rotiert der Ring 2, wie in Fig. 3 dargestellt, zwischen der drehangetriebenen Profilwalze 1 und den beiden Druckwalzen 12 sowie 13 innerhalb einer von drei Mantellinien gebildeten Auflage um seine eigene Achse. Im selben Augenblick wird der Ring 2 mit einem zentrisch nach innen gerichteten radialen Außendruck beaufschlagt. Damit der entsprechende Außendruck von den beiden Druckwalzen 12 und 13 aufgebracht werden kann, ist der zweite Schlitten 11 mit einer den radialen Außendruck bewirkenden Druckerzeugungseinrichtung wirkverbunden. Die Druckerzeugungseinrichtung wird durch einen doppeltwirkenden und druckmittelangetriebenen Arbeitszylinders 15 gebildet, der über eine Kolbenstange 16 mit dem zweiten Schlitten 11 verbunden und an dem Profilwalzmaschinengestell 17 abgestutzt ist. Die Versorgung des Arbeitszylinders 15 erfolgt durch die für den Antrieb des Walzschlittens der Dornwalze 4 vorgesehene Hydraulikpumpe der Profilwalzmaschine, so daß die Realisierung der Vorrichtung problemlos und ohne umfangreiche Mehraufwendungen möglich ist. Die Steuerung des Arbeitszylinders 15 wird vorzugsweise mit Hilfe eines Proportionalventils 18 durchgeführt.

Die Realisierung des zweiten Schlittens 11 der Ringwalzmaschine kann in besonders vorteilhafter Weise dergestalt erfolgen, daß die an der Ringwalzmaschine vorhandene, für die Lagerung der Meßwalze 9 vorgesehene Meßeinrichtung 14 modifiziert wird. Die Meßeinrichtung 14 umfaßt hierbei den zweiten Walzschlitten 11 und die Druckwalze 12, die gleichzeitig als Meßwalze 9 ausgebildet ist.

Während der Ring 2 zwischen der Profilwalze 1 und den beiden Druckwalzen 12, 13 beziehungsweise der Druckwalze 13 und der Meßwalze 9 rotiert, kann die durch den hydraulischen Arbeitszylinder 15 erzeugte Walzkraft derart erhöht werden, daß die in dem Ring 2 eingelagerten Zugspannungen durch Druckspannungen überlagert und soweit abgebaut werden, daß infolgedessen der Härteverzug verringert werden kann. Die Formabweichung des Ringes 2 kann auf diese Weise bei gleichzeitiger Verringerung des Aufwandes bei der Hartbearbeitung bedeutend herabgesetzt werden. Dies wird dadurch bewerkstelligt, daß die radiale Druckeinwirkung mindestens von drei Mantellinien ausgehend auf die äußere Mantelfläche des Ringes 2 ausgeübt wird, während die Innenbohrung nach dem Kaltwalzen von der Verformung ausgenommen wird.

Auch wenn die Erfindung im Zusammenhang mit dem bevorzugten Ausführungsbeispiel mit drei radial einwirkenden Walzen beschrieben worden ist, so ist damit nicht beabsichtigt, die Erfindung auf die Anzahl von drei Walzen zu beschränken. Vielmehr erfaßt die Erfindung auch eine beliebige Anzahl von Walzen, soweit sie unter die Patentansprüche fallen. Dadurch erhöht sich die mit den Walzen in Kreisumfangsrichtung in stetigem Fortgang verursachte dynamische Verformung des Ringes 2. Infolge dieser Wechselbeanspruchung der randnahen Werkstoffschichten werden die in dem Ring 2 durch das Kaltwalzen entstandenen und einen Härteverzug bewirkenden Eigenspannungen aufgehoben. Im Ergebnis dessen sind Ringe in bestmöglicher Kreisform herstellbar.

Claims (8)

1. Verfahren zum zielgerichteten Einbringen von Spannungen beim Walzen von Ringen durch Kaltwalzen mit einer rotationsangetriebenen Profilwalze und einer von einem zustellbaren Walzschlitten getragenen Dornwalze, welche jeweils mit einem der äußeren Mantelfläche des herzustellenden Ringes entsprechenden Gegenprofil versehen sind und einen Walzspalt einschließen, wobei die Ringformgebung ausgehend von einem Ringrohling bei Walzspaltzustellung unter Wandstärkeverminderung sowie radialer Aufweitung bis zur Erreichung des Nennringmaßes erfolgt und die Steuerung in Abhängigkeit des Ringaußendurchmessers mittels einer Meßwalze vorgenommen wird, dadurch gekennzeichnet, daß nach Erreichen des Nennringmaßes die Dornwalze (4) durch Zurückfahren des Walzschlittens außer Eingriff gebracht und der Ring (2) anschließend während einer Rotation um die eigene Achse mittels der drehangetriebenen Profilwalze (1) und mit Hilfe mehrerer den Ring (2) abstützenden Druckwalzen (12, 13) mit einem radialen Außendruck beaufschlagt wird.

2. Verfahren zum zielgerichteten Einbringen von Spannungen beim Walzen von Ringen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Bewirken des radialen Außendruckes neben der rotationsangetriebenen Profilwalze (1) mindestens zwei Druckwalzen (12, 13) vorgesehen sind.

3. Vorrichtung zum zielgerichteten Einbringen von Spannungen beim Walzen von Ringen nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die den radiale Außendruck bewirkenden Druckwalzen (12, 13) in einem zweiten Schlitten (11) der Profilwalzmaschine gelagert sind.

4. Vorrichtung zum zielgerichteten Einbringen von Spannungen beim Walzen von Ringen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckwalzen (12, 13) in einem zweiten Schlitten (11) der Profilwalzmaschine gelagert sind, welcher mit einer den radialen Außendruck bewirkenden Druckerzeugungseinrichtung wirkverbunden ist.

5. Vorrichtung zum zielgerichteten Einbringen von Spannungen beim Walzen von Ringen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schlitten (11) unter Verwendung einer zu diesem Zweck modifizieren Meßeinrichtung der Ringwalzmaschine realisiert wird.

6. Vorrichtung zum zielgerichteten Einbringen von Spannungen beim Walzen von Ringen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der einen Druckwalze (12) eine Meßwalze (9) angeordnet ist.

7. Vorrichtung zum zielgerichteten Einbringen von Spannungen beim Walzen von Ringen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die den radialen Außendruck bewirkende Druckerzeugungseinrichtung durch einen druckmittelangetriebenen Arbeitszylinder (15) gebildet wird.

8. Vorrichtung zum zielgerichteten Einbringen von Spannungen beim Walzen von Ringen nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Außendruck durch einen hydraulischen Arbeitszylinder (15) bewirkt wird, welcher durch ein Proportionalventil (18) steuerbar ist.