DE69418836T3

DE69418836T3 - Endbearbeitungsverfahren für Lageroberflächen

Info

Publication number: DE69418836T3
Application number: DE69418836T
Authority: DE
Inventors: Fukuo F.H. North Canton Hashimoto; Kevin North Canton Howlett; Rao-Sheng Canal Fulton Zhou
Original assignee: Rem Chemicals Inc
Current assignee: Rem Chemicals Inc
Priority date: 1993-12-09
Filing date: 1994-12-08
Publication date: 2004-09-02
Anticipated expiration: 2014-12-09
Also published as: EP0657658A1; EP0657658B1; US5503481A; DE69418836T2; EP0657658B2; DE69418836D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fertigbearbeiten eines metallischen Laufrings gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Wälzlager nach dem Oberbegriff des Anspruchs 12.
Die Erfindung betrifft im allgemeinen Leichtlauflager und im wesentlichen Lager mit einer besseren Oberflächengüte an ihren kritischen Arbeitsflächen sowie ein Verfahren zur Herstellung derartiger Lager.
Vom Standpunkt von Leichtlauflagern aus ausgesehen weist ein Kegelrollenlager eine verhältnismäßig schwierige Geometrie auf. Ein einreihiges Kegelrollenlager, welches der grundlegende Typ derartiger Lager ist, weist zwei als der Napf und der Kegel bezeichnete Laufringe auf, von denen jeder mit einer konischen Laufbahn und zwischen den Laufbahnen von Napf und Kegel in einer Reihe angeordneten Kegelrollen versehen ist. Allgemein gesagt besteht ein linearer Kontakt zwischen den konischen Seitenflächen der Rollen und den Laufbahnen. Zusätzlich weist einer der Laufringe, gewöhnlicherweise der Kegel, eine Stützrippe auf, gegen welche die großen Enden der Rollen drücken. Wären keine Stützrippen vorhanden, würden die Rollen tatsächlich aus dem ringförmigen Spalt zwischen den Laufbahnen herausgetrieben, da durch die Rollen übertragene radiale Lasten in kleine axiale Komponenten zerlegt werden, welche die Rollen auf den Konus der Laufbahn und gegen die Stützrippe zwingen.
Anfängliche Eindrücke würden vermitteln, daß die beiden Laufringe und die seitlichen Flächen der Rollen in konischen Umhüllungen sein sollten, wobei ihre Scheitelpunkte an einem gemeinsamen Punkt entlang der Rotationsachse sind, da dieses einen reinen Rollkontakt zwischen den Seitenflächen der Rollen und der Laufbahnen hervorrufen würde. In der aktuellen Praxis weisen die seitlichen Flächen der Rollen und die Laufbahnen leicht gebogene Profile auf, um Kantenlasten zu lindern und durch die Last eingebrachte Exzentrizität anzupassen. Es wurden umfangreiche Forschungen angestellt, um die idealen Zusammenstellungen von Laufbahnen und seitlichen Flächen der Rollen herzuleiten und zur Bestimmung dieser Zusammenstellungen existiert ein Algorithmus. Siehe US-A-4,877,340.
Unabhängig davon würde man aufgrund anfänglicher Betrachtungen schließen, daß die großen Endflächen der Rollen bezüglich der Achse der Rollen rechtwinklig sein sollten. Gegenwärtig weisen die Endflächen ein leicht kugeliges Profil auf, da dieses die Rollen befähigt, beim Drücken gegen die Stützrippe eine saubere Orientierung entlang der Laufbahn zu erlangen.
Das typische Lager wird innerhalb enger Toleranzen durch ein abschließendes Schleifen seiner kritischen Arbeitsflächen hergestellt. Allerdings wird die Fertigbearbeitung entlang der Arbeitsflächen bei einigen Lagern des weiteren zur Verminderung der Einlaufdauer für das Lager durchgeführt und um zu ermöglichen, daß es mit geringeren Drehmomenten sowie einer geringeren Wärmeerzeugung betrieben wird. Ein Lager mit einer verbesserten Oberflächengüte erhält an seinen kritischen Oberflächen einen groben Schliff, dann einen Fertigschliff und abschließend ein Honen oder einen Feinstschliff. Eine verbesserte Oberflächengüte besitzt einige Rauheit – so wie sämtliche Oberflächen – allerdings weist diese Rauheit mikroskopischen Charakter auf. Sie liegt im allgemeinen in Bereichen zwischen 7,5 × 10^–6 und 20,3 × 10^–6 cm (3 und 8 uin) R_a (R_a steht für arithmetische mittlere Rauheit – uin für mikroinch oder den einmillionsten Teil eines inches), was besser ist als ein Minimum von 15,24 × 10^–6 bis 25,4 × 10^–6 cm (6 bis 10 uin) R_a und öfter noch 38,1 × 10^–6 bis 63,5 × 10^–6 cm (15 bis 25 uin) R_a, was man auf den Arbeitsflächen von Lagern findet, welche mit nicht mehr als einem endgültigen Schleifen fertiggestellt wurden. Allerdings führen Schleifen und Honen zu gerichteten Oberflächenstrukturen, wobei sich die Ungleichheiten der Oberfläche, so klein sie auch sein mögen, in umlaufender Richtung erstrecken. Tatsächlich überlassen herkömmliche Bearbeitungspraktiken die Orientierung in umlaufender Richtung als die einzig mögliche erhältliche Orientierung. Allerdings vereinfacht die Orientierung in Umlaufrichtung wenigstens die Schmierung entlang der Kontaktlinie zwischen den Laufbahnen und den Seitenflächen der Rollen.
In diesem Zusammenhang haben N. Patin und H. S. Cheng in ihrem Bericht der ASME „Ein vorteilhaftes Fließmodell zur Bestimmung von Effekten dreidimensionaler Rauheiten bei teilweiser hydrodynamischer Schmierung", Volume 100, Seite 12, Januar 1978, Orientierungen von mikroskopischen Oberflächenunregelmäßigkeiten in Verbindung mit deren Effekten auf die Schmierung untersucht und festgestellt, daß eine aus sich longitudinal in Richtung der Bewegung erstreckenden Unregelmäßigkeiten zusammengesetzte Oberfläche eine weniger effektive Schmierung ermöglicht als eine Oberfläche, welche sich quer zur Bewegungsrichtung erstreckende Unregelmäßigkeiten aufweist, und daß eine isotrope Oberfläche, das heißt eine Oberfläche, welche keine Orientierung in ihren Unregelmäßigkeiten aufweist, besser ist als eine Oberfläche mit longitudinaler Orientierung. Übertragen auf Lager bedeutet dies, daß der typische Bearbeitungsprozeß Bearbeitungsspuren in der Form von in Umlaufrichtung orientierten Riefen in den Laufbahnen und den Rollenseitenflächen hinterläßt, welche dazu neigen, die Dicke des hydrodynamischen Ölfilms, welcher zwischen den Laufbahnen und den Rollen vorliegt, zu vermindern. Dieses ist sogar betreffend Lager mit verbesserter Oberflächengüte gültig.
Sogenanntes Trommelgleitschleifen, was bedeutet, daß ein Element innerhalb einer korrosiven Umgebung herumgewälzt wird, wird zu einer Oberfläche mit sehr kleinen und verhältnismäßig flachen Unregelmäßigkeiten führen, allerdings zerstören herkömmliche Trommelgleitschleifverfahren die präzisen Konturen, zu welchen die Rollenseitenflächen und die Laufbahnen bearbeitet wurden. Daher stellt das herkömmliche Trommelgleitschleifen kein geeignetes Mittel für die Herstellung von Lagern mit einer verbesserten Oberflächengüte dar.
Der vorliegenden Erfindung wohnt ein Verfahren gemäß Anspruch 1 zur Herstellung verbesserter Arbeitsflächen für Lagerkomponenten inne. Gewöhnlich sind die Bahnen und Rollen, auf welchen derartige Arbeitsflächen existieren, maschinell bearbeitet, letzten Endes durch Schleifen, so daß diese Oberflächen die gewünschten Profile aufweisen. Dann werden sämtliche oder einige dieser Komponenten einer weiteren Fertigbearbeitung unterzogen, welche Oberflächen mit Unregelmäßigkeiten in der Größenordnung von 2,54 × 10^–6 bis 7,6 × 10^–6 cm (1 bis 3 uin) R_a hinterläßt. Die Unregelmäßigkeiten weisen keine Orientierung auf und führen daher zu einer isotropen Oberfläche. Die Erfindung beinhaltet ebenfalls ein Leichtlauflager, welches Arbeitsflächen mit isotroper Oberflächengüte gemäß Anspruch 12 aufweist.
In den beiliegenden Zeichnungen, welche einen Teil der Beschreibung ausbilden und in denen gleiche Nummern und Buchstaben sich auf gleiche Elemente beziehen, wo auch immer sie auftauchen, zeigt:
1 eine teilweise abgeschnittene und im Schnitt dargestellte perspektivische Ansicht eines Kegelrollenlagers, welches mit isotropen Arbeitsflächen gemäß der vorliegenden Erfindung fertiggestellt wurde und des weiteren einzelne Rollen einzeln und in Vergrößerung,
2 von zwei Oberflächen erhaltene Aufzeichnungen, von denen eine eine herkömmliche verbesserte Oberflächengüte und die andere eine isotrope Oberflächengüte gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist und stellt des weiteren Eigenschaften derartiger Oberflächen dar,
3 perspektivisch eine Oberfläche mit einer herkömmlichen verbesserten Oberflächengüte und eine Oberfläche mit einer isotropen Oberflächengüte,
4 stark vergrößerte Fotografien, welche eine Oberfläche mit einer herkömmlichen verbesserten Oberflächengüte und eine Oberfläche mit einer isotropen Oberflächengüte gemäß der vorliegenden Erfindung repräsentieren,
5 ein Diagramm, welches die Betriebstemperaturen zweier Lager vergleicht, von denen eines eine herkömmliche verbesserte Oberflächengüte und das andere eine isotrope Oberflächengüte aufweist während der anfänglichen Betriebsstunden, und
6 ein Diagramm, welches das Betriebsdrehmoment zweier Lager vergleicht, von denen eines eine herkömmliche verbesserte Oberflächengüte und das andere eine isotrope Oberflächengüte aufweist während der anfänglichen Betriebsstunden.
Das Verfahren zur Fertigbearbeitung eines metallischen Laufrings gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Anspruch 1 und das Wälzlager gemäß der vorliegenden Erfindung in Anspruch 13 definiert.
Bezugnehmend auf die Zeichnungen arbeitet ein Lager A (1) mit einem geringen inneren Drehmoment und erzeugt relativ wenig Hitze von Anfang an. Tatsächlich erfordert es kein sogenanntes „Einlaufen", um seine Arbeitsflächen, welche selbstverständlich die Oberflächen sind, über welche die Hauptkomponenten des Lagers sich gegenseitig kontaktieren, auszubilden. Daher verbleibt die Temperatur und das Drehmoment des Lagers A vom Anfang des Betriebs an konstant, mit Ausnahme der kurzen Zeitdauer, die erforderlich ist, damit das Lager A seine normale Betriebstemperatur erreicht. Zu diesem Zweck weist wenigstens eine der Arbeitsflächen des Lagers A sehr flache Oberflächenunregelmäßigkeiten von mikroskopischem Charakter auf, welche ohne Orientierung sind, was bedeutet, daß die Oberfläche isotrop ist.
Vorzugsweise haben sämtliche Arbeitsflächen diese Eigenschaften. Die Oberflächen stammen von einem herkömmlichen Schleifen, gefolgt von einer vibratorischen chemischen Endbearbeitung, die in Grundzügen in der US-A-4,491,500 offenbart ist.
Der Prozeß ist im wesentlichen zur Endbearbeitung der Arbeitsflächen von Kegelrollenlagern geeignet. Das Lager A ist ein derartiges Lager in einer Grundausführung, was bedeutet, daß seine Rollelemente in einer einzelnen kreisförmigen Reihe um die Rotationsachse X angeordnet sind. Das Lager A ( 1) beinhaltet einen äußeren Ring oder Napf 2, welcher eine kegelförmige Laufbahn 4 aufweist, die nach innen in Richtung der Rotationsachse X gerichtet ist. Die Laufbahn 4 stellt die Arbeitsfläche des Napfs 2 dar. Zusätzlich weist das Lager A einen inneren Ring oder Kegel 6 auf, welcher mit einer kegelförmigen Laufbahn 8 versehen ist, die nach außen von der Rotationsachse X weggerichtet ist, und welche, da der Kegel 6 innerhalb des Napfes 2 liegt, in Richtung der Napflaufbahn 4 gerichtet ist. Die Kegellaufbahn 8 liegt zwischen großen und kleinen Rippen 10 und 12, welche hinter der Laufbahn 8 nach außen gerichtet sind. Die große Rippe 10, welche als Auflagerippe bekannt ist, weist eine Rippenvorderfläche 14 auf, welche an dem großen Ende der kegelförmigen Laufbahn 8 angeordnet ist. Die Laufbahn 8 und die Rippenoberfläche 14 bilden die Arbeitsoberflächen des Kegels 6. Schließlich weist das Lager A kegelförmige Rollen 16 auf, welche in einer einzelnen umlaufenden Reihe zwischen dem Napf 2 und dem Kegel 6, das heißt in dem durch die voneinander beabstandeten und gegenüberliegenden Laufbahnen 4 und 8 gebildeten ringförmigen Spalt angeordnet sind. Jede Rolle 16 weist eine kegelförmige Seitenfläche 18 auf, welche die beiden Laufbahnen 4 und 8 berührt, wodurch allgemein gesagt zwischen den Rollenseitenflächen 18 und den Laufbahnen 4 und 8 ein Linienkontakt vorliegt. Jede Rolle 16 weist ebenfalls eine Endfläche 20, welche über das große Ende der Seitenfläche 18 hinausragt, und eine Vertiefung 22, welche sich auf der Endfläche 20 öffnet, auf, wodurch der Endfläche 20 eine ringförmige Gestalt gegeben wird. Die Endfläche 20 weist ein leicht kugelförmiges Profil auf, das bedeutet, daß sie innerhalb einer Umhüllung liegt, welche die Form einer Kugel aufweist. Der Abstand zwischen den beiden Rippen 10 und 12 überschreitet ein wenig die Länge der Rollen 16, was tatsächlich so sein muß, um zu ermöglichen, daß die Rollen 16 sauber entlang den Laufbahnen 4 und 8 und gegen die Rippenfläche 14 sitzen. Die Seitenflächen 18 und Endflächen 20 bilden die Arbeitsflächen der Rollen 16. Während das herkömmliche Kegelrollenlager seine Auflagerippe 10 an dem großen Ende der kegelförmigen Laufbahn 8 aufweist, weisen einige Kegelrollenlager ihre Auflagerippen an dem großen Ende ihrer Napflaufbahnen auf.
Wenn die Rollen 16 sauber zwischen den entsprechenden Laufbahnen 4 und 8 des Napfes 2 und des Kegels 6 sitzen, liegen die Endflächen 20 der Rollen 16 gegen die Rippenfläche 14 an der großen oder Auflagerippe 10 des Kegels 8 an. Tatsächlich drängt eine radiale durch das Lager A übertragene Last die Rollen 16 in Richtung der großen Rippe 10, so wie dies eine axiale Kraft tun würde. Wenn die Rollen 16 derart plaziert sind, existiert allgemein gesagt eine Linienberührung zwischen den Seitenflächen 18 der Rollen 16 und der Laufbahnen 4 und 8. Die durch die beiden Laufbahnen 4 und 8 ausgebildeten konischen Umhüllungen haben darüber hinaus in diesem Zusammenhang ihre Gipfelpunkte an einem gemeinsamen Punkt entlang der Rotationsachse X, oder anders ausgedrückt, die Rollen 16 sind auf einem Gipfelpunkt.
Allerdings sind die Laufbahnen 4 und 8 nicht tatsächlich kegelförmig, dasselbe gilt für die Seitenflächen 18 der Rollen. Anstelle dessen sind sie im Profil leicht gebogen, gewöhnlich ballig. Auf diese Weise wird eine gleichmäßigere Belastungsverteilung entlang der Laufbahnen 4 und 8 und der Seitenflächen 18 der Rollen ermöglicht. Es können weitere Abänderungen der Profile der Laufbahnen 4 und 8 und der Seitenflächen 18 existieren, um durch außergewöhnlich schwere Lasten hervorgerufene Fluchtungsfehler auszugleichen und andererseits Lasten gleichmäßiger entlang der Laufbahnen 4 und 8 zu verteilen. Die US-A-4,877,340 beschriebt ein Verfahren zur Herleitung der Profile für Laufbahnen und Seitenflächen der Rollen, mit der Aufgabe, entlang der Kontaktlinien zwischen den Seitenflächen der Rollen und den Laufbahnen eine einheitliche Lebensdauer zu erhalten.
Unabhängig davon wie man die Profile für die Laufbahnen 4 und 8 und die Seitenflächen 18 der Rollen 16 bestimmt, werden die Laufbahnen 4 und 8 oder die Seitenflächen 18 oder üblicherweise beide nicht innerhalb wirklich kegelförmiger Umhüllungen liegen, sondern werden anstelle dessen leicht ballig sein. Diese balligen Profile werden mittels herkömmlicher Maschinenbearbeitungen erhalten, wie beispielsweise Schleifen oder Hartdrehen, und diese Maschinenbearbeitungen hinterlassen auf den Laufbahnen 4 und 8, der Rippenfläche 16 des Kegels und den Seiten und Endflächen 8 und 20 der Rollen Bearbeitungsmarken oder Oberflächenunregelmäßigkeiten, welche sich umlaufend erstrecken und daher gerichtet sind. Als Folge des letzten Schleifens eines derartig fertig bearbeiteten Lagers weisen die gerichteten Oberflächen eine Rauheit von 25,4 × 10^–6 bis 76,2 × 10^–6 cm (10 bis 30 uin) R_a auf. Allerdings erhält ein Lager mit verbesserter Fertigbearbeitung des weiteren eine Fertigbearbeitung, um dessen Arbeitsflächen, im wesentlichen die Lauffläche 4 des Napfes 2, die Lauffläche 8 und die Rippenfläche 14 des Kegels 5 und die Seitenflächen 18 und die Endflächen 20 der Rollen 16 zu verfeinern. Beim Gebrauch herkömmlicher Fertigungsmethoden zur Herstellung von Lagern umfassen diese weiteren Fertigbearbeitungen ein weiteres Schleifen und schließen ein Honen oder Feinstschleifen ein. Keine dieser Bearbeitungen beeinflußt das durch das vorhergehende Schleifen verliehene Profil – und in der Tat werden sie so gesteuert, daß sie das Profil nicht verringern. Das Ergebnis ist eine verbesserte Oberflächengüte mit Unregelmäßigkeiten der Oberfläche in der Größenordnung von 2,54 × 10^–6 bis 12,7 × 10^–6 cm (1 bis 5 uin) R_a (3 und 4).
Zur Zeit ist die arithmetische mittlere Rauheit R_a nur eine von mehreren Eigenschaften, welche genutzt wird, um eine Arbeitsfläche, wie beispielsweise eine der Laufflächen 4 und 8 des Lagers A, zu definieren. Die folgende Formel definiert R_a:
wobei
L die Abschätzungslänge bezeichnet
Z die Höhe des Oberflächenprofils oberhalb und unterhalb der Mittellinie bezeichnet
x die Stelle jeder Messung bezeichnet.
Dann gibt es die maximale Höhe (Rp) des Profils oberhalb seiner Hauptlinie, welche ebenfalls bedeutsam ist.
Die vielleicht bedeutsamste aller Eigenschaften ist der quadratische Mittelwert der durchschnittlichen Neigung (Delq) für die Unregelmäßigkeiten des Profils, welcher selbstverständlich eine Winkelgröße ist (2). Er wird durch Gebrauch der folgenden Formel berechnet:
wobei
Θ die Neigung des Profils an jedem gegebenen Punkt darstellt.
Ebenfalls bedeutsam ist der Plastizitätsindex (ψ) der Oberfläche, welcher genutzt wird, um die elastisch-plastischen Deformationseigenschaften einer Oberfläche zu beschreiben. Die Berührungsflächen eines Lagers, welches Rollelemente aufweist, ändern sich während der Einlaufperiode des Lagers und erreichen letztendlich einen stabilen Zustand. Die Größe der Oberflächenänderung, welche durch das Betriebsdrehmoment und die Betriebstemperatur und die Dauer der Einlaufzeit wiedergegeben wird, wird durch den Plastizitätsindex repräsentiert, je größer dieser Index ist, um so größer ist die Änderung des Drehmoments und der Temperatur während der Einlaufdauer und entsprechend länger wird die Einlaufdauer. Die folgende Formel definiert den Plastizitätsindex:
wobei
E' den zusammengesetzten Modul nach Young bezeichnet:
wobei
H die Härte des Materials bezeichnet,
ψ₁ und ψ₂ die Querdehnungskoeffizienten bezeichnen
E₁ und E₂ die Elastizitätsmoduli bezeichnen.
Eine typische Arbeitsfläche eines Lagers, welche nach einem Endschleifen erhalten wird, weist die folgenden Eigenschaften auf:

R_a 30,5 × 10^–6 cm (12 uin)

Rp 138,7 × 10^–6 cm (55 uin)

Delq 9,0°

ψ 2,24
Das Schleifen hinterläßt die Oberfläche mit gerichteten Unregelmäßigkeiten oder Bearbeitungsmarken, welche sich umlaufend erstrecken.
Eine typische Arbeitsfläche mit verbesserter Oberflächengüte zeigt die folgenden Eigenschaften (2):

R_a 10,75 × 10^–6 (4,23 uin)

Rp 55,9 × 10^–6 (22 uin)

Delq 6,2°

ψ 1,54
Diese Unregelmäßigkeiten verlaufen entsprechend umlaufend.
Dahingegen weist eine typische Arbeitsfläche, welche gemäß des Verfahrens der vorliegenden Erfindung fertig bearbeitet worden ist, die folgenden Eigenschaften auf (2):

R_a 6,2 × 10^–6 (2,44 uin)

Rp 24,1 × 10^–6 (9,5 uin)

Delq 1,8°

ψ 0,44
Der Plastizitätsindex kann bis zu 0,74 betragen. Darüber hinaus ist die Oberfläche isotrop (3 und 4).
Das Verfahren der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf eine herkömmliche Bearbeitung, um die Arbeisflächen des Lagers A in ein sauberes Profil mit einer arithmetischen mittleren Rauheit R_a von typischerweise 25,4 × 10^–6 bis 50,8 × 10^–6 cm (10 bis 20 uin) und üblicherweise nicht mehr als 76,2 × 10^–6 cm (30 uin) zu bringen. Daher weisen die Laufbahn 4 des Napfes, die Laufbahn 8 und die Rippenfläche 14 des Kegels, sowie die Seitenflächen 18 und Endflächen 20 der Rollen anfänglich eine Grundoberflächengüte mit Bearbeitungsmarken oder Unregelmäßigkeiten auf, welche sich in umlaufender Richtung erstrecken. Der Napf 2, der Kegel 6 und die Rollen 16 werden dann einem chemisch unterstützten vibratorischen Fertigbearbeitungsverfahren unterzogen, welches in einem großen Maße die Bearbeitungsmarken auslöscht und verursacht, daß das, was von diesen übrig bleibt, nicht mehr als sehr flache Vertiefungen mit im wesentlichen keiner Orientierung sind. Daher verursacht das Verfahren, welches manchmal mechanisch-chemisches vibratorisches Fertigbearbeiten genannt wird, isotrope Arbeitsflächen (3 und 4).
Grundsätzlich findet das Fertigbearbeitungsverfahren in einem Rohr statt, welches eine flüssige Chemikalie enthält, die kontinuierlich in einer geeigneten Rate von vielleicht 3,8 bis 18,9 l/h (1 bis 5 Gallonen/h) durch das Rohr strömt. Ein mit dem Rohr verbundener Mechanismus vibriert dieses und selbstverständlich werden die Vibrationen auf die flüssige Chemikalie innerhalb des Rohres übertragen. Die Chemikalie, deren pH-Wert im Bereich von 1,5 liegt, weist die Eigenschaft auf, mit dem Stahl derart zu reagieren, daß sie die Oberfläche des Stahls angreift. Die Reaktion verursacht einen Film oder eine Beschichtung, welche im Nachhinein den Stahl vor weiteren Angriffen durch die Chemikalie schützt. Allerdings ist der Film nicht fest an den Stahl gebunden und kann tatsächlich leicht entfernt werden, jedoch nicht durch die vibrierende Chemikalie. Der Napf 2, der Kegel 6 und die Rollen 16 werden in die chemische Flüssigkeit innerhalb des Rohres zusammen mit geeigneten Abtrageelementen, wie beispielsweise kleinen dreieckigen oder winklig geschnittenen zylindrischen Blöcken, plaziert. Vorzugsweise sind die Abtrageelemente aus einer harten Substanz, beispielsweise aus Keramik, ausgebildet, welche nicht durch die Chemikalie angegriffen wird. Die der Vibration in der Chemikalie ausgesetzten Abtrageelemente stoßen gegen die äußeren Oberflächen des Napfes 2, des Kegels 6 und der Rollen 16 und tragen die schützende Beschichtung ab, wodurch der Stahl einem weiteren Angriff durch die Chemikalie ausgesetzt wird. Allerdings entfernen die Abtrageelemente die schützende Beschichtung nur an höheren Erhebungen entlang der Oberfläche, so daß die Oberfläche in ihren niedrigeren Erhebungen geschützt bleibt. Als Ergebnis werden die erhobenen Regionen der Oberflächen aufgelöst, während die vertieften Regionen intakt bleiben. Die Oberflächenbereiche der erhobenen Regionen vermindern sich bis zu dem Punkt, an dem die vertieften Regionen beinahe aufgelöst sind. Die Betätigung innerhalb der Chemikalie wird fortgeführt, bis die gerichteten Bearbeitungsmarken sich zu sehr flachen Taschen mit im wesentlichen keiner Orientierung verringert haben. Mit anderen Worten verbleiben der Napf 2, der Kegel 6 und die Rollen 16 so lange in der Chemikalie, bis die durch die Laufbahnen 4 und 8, die Rippenflächen 14 und die Flächen 18 und 20 der Rollen repräsentierten Arbeitsflächen isotrope Oberflächen geworden sind. Bis zu diesem Punkt tritt das Abschleifen einheitlich auf den Oberflächen auf, so daß die durch die ursprüngliche Bearbeitung hinterlassenen Profile im wesentlichen unverändert verbleiben.
Um sicher zu gehen, sollten der Napf 2, der Kegel 5 und die Rollen 16 nicht zu lange in der vibrierenden Chemikalie verbleiben, da ansonsten die Profile der Laufbahnen 4 und 8 und die Seitenflächen 18 der Rollen verschlechtert werden. Allgemein ausgedrückt sollte die Bearbeitung in der Chemikalie beendet werden, sobald die Bearbeitungsmarken isotrop geworden sind.
Sobald die Arbeitsflächen des Napfes, des Kegels 6 und der Rollen 16 isotrop geworden sind, wird die Zufuhr der Chemikalie zum Rohr beendet und durch eine Polierflüssigkeit ersetzt, welche mit einer deutlich größeren Rate, vielleicht 75,7 bis 151 l/h (20 bis 40 Gallonen/h) durchströmt. Die polierende Flüssigkeit, die einen pH-Wert im Bereich von 8,5 aufweist, neutralisiert die Überreste der flüssigen Chemikalie und entfernt andererseits die schützende Beschichtung, welche auf dem Napf 2, dem Kegel 6 und den Rollen 16 verblieben ist, und bringt deren Oberflächen, einschließlich der Laufbahnen 4 und 8, der Rippenfläche 14 und der Rollenflächen 18 und 20, welche die Arbeitsflächen repräsentieren, auf das Metall herunter. Jede Arbeitsfläche erhält eine spiegelähnliche Erscheinung.
Die REM Chemicals Incorporation aus Southington, Connecticut, verkauft die flüssige Chemikalie und die polierende Flüssigkeit zur Durchführung des Verfahrens, welches die REM Chemicals als „FERROMIL-Verfahren" bezeichnet. Sie hat einige US-Patente auf das Verfahren und auf in dem Verfahren genutzte Zusammensetzungen und Vorrichtungen erhalten.
Die US-A-4,491,500 beschreibt das Basisverfahren, die US-A-4,705,594 beschreibt ebenfalls das Verfahren, konzentriert sich allerdings auf flüssige Chemikalien. Die US-A-4,818,333 ist im wesentlichen auf die sogenannten Medien oder abtragenden Elemente, die in dem Verfahren genutzt werden, gerichtet. Auf der anderen Seite betrifft die US-A-5,158,629 in erster Linie die polierende Flüssigkeit.
Ein Lager, welches entsprechend der vorliegenden Erfindung mit isotropen Arbeitsflächen versehen ist, weist einen sehr niedrigen Oberflächenplastizitätsindex auf, welcher in der Tat derart niedrig ist, daß für das Lager kein Einlaufen erforderlich ist, um es in seinen optimalen Betriebszustand zu bringen. Verglichen mit einem entsprechenden Lager, welches eine verbesserte Oberflächengüte auf seiner Arbeitsfläche aufweist, zeigt das Lager mit den isotropen Oberflächen bessere Betriebseigenschaften.
In diesem Zusammenhang wurden zwei einreihige Kegelrollenlager, welche in jeder Hinsicht mit Ausnahme der Fertigbearbeitung der Arbeitsflächen identisch und unbenutzt waren, unter identischen Bedingungen in Betrieb genommen, einschließlich der gleichen radialen Lasten und der gleichen Schmierung. Das eine Lager wies Arbeitsflächen auf, welche gemäß der vorliegenden Erfindung fertigbearbeitet waren, was bedeutet, daß dessen Laufbahnen 4 und 8, dessen Rippenfläche 14 und die Seiten- und Endflächen 18 und 20 dessen Rollen alle isotrop waren und im übrigen den Eigenschaften einer typischen isotropen Arbeitsfläche wie vorstehend beschrieben entsprachen. Das andere Lager hatte die gleichen Arbeitsflächen, welche mit einer verbesserten Oberflächengüte versehen waren, welche den für eine derartige Oberfläche vorstehend beschriebenen Eigenschaften entsprachen. Nach einem lastfreien Betrieb jedes Lagers für ungefähr eine Stunde wurde die radiale Last auf jedes Lager bis zum Ende nach ungefähr sieben Stunden nach und nach bis zu einer Belastung von 122.368 N (27500 Pfund) aufgebracht. Nach dieser Zeit hatte das Lager mit der isotropen Oberflächengüte seine normale Betriebstemperatur erreicht und hielt diese Temperatur während des Betriebes (5). Das Lager mit der verbesserten Oberflächengüte erreichte in der gleichen Zeit eine wesentliche höhere Temperatur, jedoch fiel diese Temperatur innerhalb der nachfolgenden 12 Stunden, was für ein im Einlauf befindliches Lager typisch ist (5). Nach ungefähr 20 Stunden war das Lager auf seine normale Betriebstemperatur abgekühlt, welche höher war als die Betriebstemperatur des Lagers mit den isotropen Oberflächen. Die Drehmomente, die erforderlich waren, um den Betrieb der Lager zu unterstützen, zeigten ähnliche Eigenschaften. Für das Lager mit den isotropen Arbeitsflächen stieg dieses bis zur Anwendung der maximalen Last an und blieb dann konstant (6). Beim Lager mit den Arbeitsflächen mit verbesserter Oberflächengüte stieg das Drehmoment im wesentlichen bei der anfänglichen Belastung auf ein Maximum bei vorliegender Vollast, fiel nachfolgend und wurde konstant bei ungefähr 20 Stunden (6). Allerdings war das Drehmoment, auf welches das Lager mit verbesserter Oberflächengüte sich einlief, höher als das Drehmoment, auf welches das Lager mit der isotropen Oberflächengüte einlief. Darüber hinaus zeigte das Lager mit der isotropen Oberfläche eine größere Dauerfestigkeit als das Lager mit den verbesserten Oberflächen. Es zeigte eine vergleichsweise höhere Dauerestigkeit als Lager, welche mit einem Fertigschleifen endbearbeitet wurden und selbstverständlich ebenso eine niedrigere Temperatur und Drehmoment.
Obwohl das Verfahren in Verbindung mit einem Kegellrollenlager beschrieben wurde, ist es ebenfalls zur Fertigbearbeitung der Arbeitsoberflächen anderer Lagerarten nutzbar, wie beispielsweise Zylinderrollenlager, Pendelrollenlager und Kugellager.
Zylinderrollenlager weisen Laufbahnen und Rippenflächen auf, welche als Arbeitsflächen dienen und natürlich Rollen, welche sich entlang dieser Arbeitsflächen bewegen und wiederum selbst Arbeitsflächen aufweisen. Vorzugsweise weisen sämtliche Arbeitsflächen eine isotrope Oberflächengüte auf. In einem Kugellager umfassen die Arbeitsflächen die Laufbahnen und die kugelflörmigen Oberflächen der Rollelemente und vorzugsweise haben alle isotrope Oberflächengüten.
Die Erfindung soll sämtliche Änderungen und Modifizierungen des hier zum Zwecke der Erklärung gewählten Beispiels der Erfindung abdecken, welche den Bereich der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen definiert wird, nicht verlassen.

Claims

Verfahren zum Fertigbearbeiten eines metallischen Laufringes, der eine Arbeitsfläche hat, längs welcher sich ein weiteres Lagerteil in Kontakt mit der Arbeitsfläche bewegen wird, wobei die Arbeitsfläche Unregelmäßigkeiten mit Richtcharakter hat, gekennzeichnet durch Eintauchen des Laufringes in eine flüssige Chemikalie, die mit dem Metall des Laufringes längs der Arbeitsfläche reagiert, so daß sie einen Schutzüberzug auf der Arbeitsfläche bildet, wobei der Überzug die Chemikalie im wesentlichen daran hindert, mit dem Metall weiter zu reagieren, sofern nicht der Überzug gestört wird; und kontinuierliches Abtragen des Überzuges längs höherer Gebiete der Arbeitsfläche, so daß die Chemikalie mit diesen höheren Gebieten reagiert, wodurch die höheren Gebiete eliminiert werden, wobei das Abtragen der höheren Gebiete fortgesetzt wird, bis die Unregelmäßigkeiten im wesentlichen ungerichtet sind, wodurch die Arbeitsfläche im wesentlichen isotrop gemacht wird und Unregelmäßigkeiten aufweist, die eine arithmetische mittlere Rauhtiefe (Ra) von 2,54 × 10^–6 bis 7,6 × 10^–6 cm (1 bis 3 μZoll) ergeben.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Unregelmäßigkeiten am Anfang umfangsmäßig ausgerichtet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt kontinuierliches Abtragen des Überzuges beinhaltet, den Überzug mit festen Schleifelementen zu beaufschlagen, die den Überzug kontaktieren und ihn in den höheren Gebieten der Arbeitsfläche abschleifen.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt kontinuierliches Abtragen des Überzuges beinhaltet, die flüssige Chemikalie, in welcher der Laufring und die Schleifelemente angeordnet sind, umzurühren, so daß die Schleifelemente mit dem Überzug auf der Arbeitsfläche wiederholt in Kontakt kommen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß weiter anschließend der Laufring von der Chemikalie getrennt und in Abwesenheit der Chemikalie der auf der Arbeitsfläche verbleibende Überzug abgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsfläche eine Laufbahn an dem Laufring ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt Eintauchen des Laufringes und kontinuierliches Abtragen des Überzuges das Profil der Arbeitsfläche nicht wesentlich verändert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Arbeitsflächen die Arbeitsflächen eines Kegelrollenlagers (A) sind, das einen becherförmigen Außenring (2) hat, der mit einer Laufbahn (4) versehen ist, welche eine der Arbeitsflächen darstellt, einen konusförmigen Innenring (6), der mit einer Laufbahn (8) und, an einem großen Ende der Laufbahn (8), mit einer Bordseite (14) versehen ist, die beide mehr Arbeitsflächen darstellen, und Kegelrollen (16), die Seitenflächen (18) und große Stirnseiten (20) haben, welche noch mehr Arbeitsflächen darstellen, wobei, wenn das Lager (A) zusammengebaut ist, der konusförmige Innenring (6) innerhalb des becherförmigen Außenrings (2) ist und sich die Rollen (16) zwischen dem becherförmigen Außenring (2) und dem konusförmigen Innenring (6) befinden und deren Seitenflächen (18) die Laufbahnen (4, 8) kontaktieren und ihre großen Stirnseiten (20) die Bordseite (14) kontaktieren, wobei der becherförmige Außenring (2), der konusförmige Innenring (6) und die Rollen (16) alle aus Stahl bestehen und wobei das Verfahren beinhaltet: spanabhebendes Bearbeiten des becherförmigen Außenrings (2), des konusförmigen Innenringes (6) und der Rollen (16), um ihre Arbeitsflächen mit geeigneten Profilen zu versehen, wobei in den Arbeitsflächen umfangsmäßig gerichtete Unregelmäßigkeiten in Folge der spanabhebenden Bearbeitung verbleiben; Eintauchen jeweils des becherförmigen Außenringes (2), des konusförmigen Innenringes (6) und der Rollen (16) in eine flüssige Chemikalie, die in der Lage ist, mit dem Stahl zu reagieren, aus welchem der becherförmige Außenring (2), der konusförmige Innenring (6) und die Rollen (16) hergestellt sind, und einen Schutzüberzug auf dem Stahl während der Reaktion zu bilden, wobei der Überzug dazu dient, eine weitere Reaktion zu verhindern, bis er gestört wird, wodurch die flüssige Chemikalie mit dem Stahl des becherförmigen Außenrings (2), des konusförmigen Innenringes (6) und der Rollen (16) längs der Arbeitsflächen reagiert und weiter einen Schutzüberzug auf den Arbeitsflächen erzeugt; Einbringen von festen Schleifelementen in die flüssige Chemikalie; Umrühren der flüssigen Chemikalie, so daß die Schleifelemente den Schutzüberzug längs der Arbeitsflächen kontaktieren und ihn von höheren Erhebungen der Arbeitsflächen abtragen, um die höheren Erhebungen weiter mit der Chemikalie zu beaufschlagen, so daß die höheren Erhebungen weiter weggescheuert werden, wobei das Umrühren und Wegscheuern fortgesetzt werden, bis die Unregelmäßigkeiten in den Arbeitsflächen ungerichtet werden und die Arbeitsflächen isotrop machen, ohne daß aber die Profile der Arbeitsflächen wesentlich verändert werden; und anschließend in Abwesenheit der Chemikalie Abtragen des Schutzüberzuges von dem becherförmigen Außenring (2), dem konusförmigen Innenring (6) und den Rollen (16) sowie den Arbeitsflächen auf denselben.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren des Abtragens des Schutzüberzuges in Abwesenheit der Chemikalie beinhaltet Eintauchen des becherförmigen Außenringes (2), des konusförmigen Innenringes (6) und der Rollen (16) in eine Brünierflüssigkeit und Umrühren der Brünierflüssigkeit.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Umrühren und Wegscheuern fortgesetzt werden, bis die Unregelmäßigkeiten in den Arbeitsflächen einen quadratischen Neigungsmittelwert (Delq) von nicht mehr als etwa 3° haben.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Umrühren und Wegscheuern fortgesetzt werden, bis der Plastizitätsindex der Arbeitsflächen nicht mehr als etwa 0,74 beträgt.
Wälzlager (A) mit: einem äußeren Laufring (2), der wenigstens eine Arbeitsfläche (4) hat, einem inneren Laufring (6), der wenigstens eine Arbeitsfläche (8) hat, Wälzkörpern (16), die zwischen dem inneren und dem äußeren Laufring (6, 2) angeordnet sind und die Laufringe an den Arbeitsflächen (4, 8) an den Laufringen (6, 2) kontaktieren; dadurch gekennzeichnet, daß die Wälzkörper (16) und wenigstens eine (4, 8) der Arbeitsflächen einen isotropen Oberflächenzustand mit isotropen Unregelmäßigkeiten haben, welche eine arithmetische mittlere Rauhtiefe (Ra) von 2,54 × 10^–6 bis 7,62 × 10^–6 (1 bis 3 μZoll) aufweisen, und wobei der isotrope Oberflächenzustand durch das in Anspruch 1 definierte Verfahren hergestellt wird.
Lager nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Laufring (2) ein metallischer erster Laufring ist, der mit einer Laufbahn (4) versehen ist; daß der innere Laufring (6) ein metallischer zweiter Laufring ist, der mit einer Laufbahn (8) versehen ist, die der Laufbahn (4) des ersten Laufrings zugewandt ist; daß ein Bord (10) eine Bordseite (14) an dem Ende der Laufbahn (8) von einem (6) der Laufringe hat; daß Rollen (16) aus Metall in einer kreisförmigen Reihe zwischen den Laufbahnen (4, 8) des ersten und des zweiten Laufringes angeordnet sind und Seitenflächen (18) haben, welche die Laufbahnen (4, 8) und die Stirnflächen (20) kontaktieren, die an der Bordseite (14) anliegen; daß die Laufbahnen (4, 8), die Bordseite (14) und die Rollenseitenflächen und -stirnseiten (18, 20) Unregelmäßigkeiten aufweisen, die ungerichtet sind, so daß die Flächen, welche durch die Laufbahnen (4, 8), die Bordseite (14) und die Rollenseitenflächen und -stirnselten (18, 20) dargeboten werden, isotrop sind.
Lager (A) nach Anspruch (13), dadurch gekennzeichnet, daß die Profile für die Laufbahnen (4, 8) und die Rollenseitenflächen (18) und -stirnseiten (20) durch mechanische maschinelle Bearbeitung gewonnen worden sind.
Lager (A) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die maschinelle Bearbeitung die Laufbahnen (4, 8) und die Rollenseitenflächen und -stirnseiten (18, 20) mit Unregelmäßigkeiten zurückläßt, welche eine arithmetische mittlere Rauhtiefe (Ra) von nicht mehr als 76,2 × 10^–6 cm (30 μZoll) ergeben, und wobei die geschliffenen Laufbahnen (4, 8) und die Rollenseitenflächen und -stirnseiten (18, 20) auf eine arithmetische mittlere Rauhtiefe (Ra) von 2,54 × 10^–6 bis 7,6 × 10^–6 cm (1 bis 3 μZoll) reduziert und isotrop gemacht worden sind durch Eintauchen der Laufringe (2, 6) und der Rollen (16) in eine flüssige Chemikalie, die mit dem Metall der Laufringe (2, 6) und der Rollen (16) längs der Laufbahnen (4, 8) und der Rollenseitenflächen und -stirnseiten (18, 20) reagiert und einen Schutzüberzug erzeugt, der die Laufbahnen (4, 8) und die Rollenseitenflächen und -stirnseiten (18, 20) bedeckt und eine weitere Reaktion im wesentlichen verhindert, bis er entfernt wird, und durch kontinuierliches Abtragen des Überzugs in den höheren Erhöhungen längs der Laufbahnen (4, 8) und der Rollenseitenflächen und -stirnseiten (18, 29), so daß die Laufbahnen (4, 8) und die Rollenseitenflächen und -stirnseiten (18, 20) in diesen höheren Erhöhungen weggescheuert werden, bis sie isotrop sind.
Lager (A) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Lager (A) weiter keine erhöhte Temperatur oder kein erhöhtes Drehmoment gekoppelt mit einer anschließenden Verringerung dieser Eigenschaften während seines Anfangsbetriebes aufweist.
Lager (A) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der isotrope Oberflächenzustand auf der ersten Laufbahn (4) vorhanden ist.
Lager nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der isotrope Oberflächenzustand auf der zweiten Laufbahn (8) vorhanden ist.