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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.
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Das
Kaltwalzen von Ringen zeichnet sich bei der Fertigung rotationssymmetrischer
Präzisionkugellagerringe
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.
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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.
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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.
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Bislang
war man bestrebt, bei möglichen Formabweichungen
Abhilfe mit einer größeren Maßhaltigkeit
des Ringes zu schaffen. In der
DE 27 01 593 C2 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.
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In
der
DE 15 25 291 C3 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.
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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.
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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.
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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.
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Obwohl
kalt gewalzte Ringe weitgehend homogene Eigenspannungen aufweisen,
besteht gleichwohl das Bestreben, bei der Herstellung die Formabweichungen
von rotationssymmetrischen 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.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch
1 gelöst,
das dadurch gekennzeichnet ist, 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.
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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.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum zielgerichteten Einbringen von Spannungen beim Walzen von Ringen
durch Kaltwalzen mit einer rotationsangetriebenen Profilwalze und
einer von einem zustellbaren Walzschlitten getragenen Dornwalze
sowie einer die radiale Aufweitung des Ringes steuernden Messwalze
ist dadurch gekennzeichnet, daß für das Bewirken
des radialen Außendruckes
mindestens zwei den Ring abstützende
Druckwalzen vorgesehen sind, die in einem zweiten Schlitten der
Profilwalzmaschine gelagert sind. Der Schlitten ist mit einer zwischen
den Druckwalzen angreifenden Druckerzeugungseinrichtung wirkverbunden.
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.
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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.
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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.
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Nachfolgend
soll die Erfindung im Rahmen eines Ausführungsbeispiels und anhand
von Zeichnungen näher
erläutert
werden. In den dazugehörigen
Zeichnungen zeigt
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1 eine Teilansicht einer
Ringwalzmaschine mit der Profilwalze und dem Walzdorn mit einem
zu walzenden Ringrohling zum Beginn des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2 eine Teilansicht der Ringwalzmaschine
nach dem Kaltwalzen und
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3 eine Teilansicht der Ringwalzmaschine
mit dem im aktiven Eingriff mit dem Ring stehenden zweiten Schlitten
in schematischer Darstellung.
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In 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, das dem in 2 dargestellten
Ring 2, beispielsweise einem Wälzlagerring als Gegenprofil 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.
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Der
Ringrohling 6 wird durch Kaltwalzen zwischen der Profilwalze 1 und
der Dornwalze 4 zu einem Ring 2 ausgeformt, wie
er in 2 in seiner endgültigen Größe dargestellt
ist.
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Beim
Kaltwalzen wird die Profilwalze 1 in Richtung des Pfeils 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 2 dargestellten
Endzustand erreicht hat.
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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.
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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 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 abgestützt 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.
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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.
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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.
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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.