So bauen Sie eine bessere Maschinenspindel

Oct 29, 2023

By Design News-Mitarbeiter | 13. Juli 2022

Spindeln unterstützen rotierende Elemente in einer Vielzahl von Maschinen. Bei spanabhebenden Werkzeugmaschinen beispielsweise sorgen Spindellager für Systemstabilität, um die Oberflächengüte und Präzision der bearbeiteten Werkstücke sicherzustellen. Um mechanischen Belastungen standhalten zu können, müssen solche Lager eine hohe Steifigkeit und Haltbarkeit aufweisen, zudem müssen sie eine geringe Reibung und eine hohe thermische Toleranz aufweisen, um hohe Drehzahlen zu ermöglichen.

Der globale Automobil- und Industriezulieferer Schaeffler hat kürzlich einem führenden Werkzeugmaschinenhersteller geholfen, die Garantiedauer für seine Motorspindeln zu verdoppeln, einschließlich der Bereitstellung unbegrenzter Spindelstunden während der Garantiezeit, durch den Einsatz von Hochgeschwindigkeits-Spindellagern aus Vacrodur, einem neuen Hochleistungsprodukt Von Schaeffler entwickelter Wälzlagerstahl. Dem weltweit tätigen Werkzeugmaschinenbauer ist es gelungen, Motorspindeln zu konstruieren, die insbesondere unter schwierigen Einsatzbedingungen eine äußerste Zuverlässigkeit und eine deutlich längere Lebensdauer im Vergleich zu herkömmlichen Spindeln aufweisen.

Schaeffler versorgte Design News mit Informationen zu diesem Anwendungsfall und wir stellten ER Muntz, leitender Anwendungsingenieur für Industrieautomation bei Schaeffler, ein paar Fragen zu Vacrodur und zukünftigen Möglichkeiten.

Muntz: In der Vergangenheit wurde in den meisten Anwendungen Wälzlagerstahl 100Cr6 verwendet. Um die Drehzahlfähigkeit und Robustheit des Spindellagers zu verbessern, wurden Hybridlager mit Keramikwälzkörpern eingesetzt.

Der Einsatz von keramischen Wälzkörpern brachte jedoch nur begrenzte Fortschritte hinsichtlich der Verbesserung der Leistung der Spindellagerung. Wenn Werkzeugmaschinenhersteller Überholungen und Reparaturen an ihren Spindeln durchführten, stellten sie immer wieder fest, dass die Keramikkugeln unbeschädigt blieben. Unterdessen zeigten die Lagerringe bereits Anzeichen von Ermüdungsversagen wie Lochfraß und Risse.

Der nächste Schritt in der Entwicklung des Laufringmaterials war die Entwicklung von Stählen mit hohem Stickstoffgehalt wie dem Cronidur-Material von Schaeffler. Viele Jahre lang war dies das Premium-Angebot für Spindelhersteller, die die Grenzen der Last- und Geschwindigkeitsfähigkeiten erweiterten. Doch nun haben weitere Fortschritte bei den Werkzeugen – zusammen mit erhöhten Anforderungen an Durchsatz und Betriebszeit – den Bedarf an noch robusteren Spindellagern erhöht.

Um diese Betriebslebensdauerdiskrepanz zwischen den Keramikkugeln und den Lagerringen für diesen aufstrebenden Marktteil zu beseitigen, hat Schaeffler einen neuen Lagerstahl namens Vacrodur entwickelt.

Muntz: Vacrodur ist ein pulvermetallurgisch hergestellter Hochleistungsstahl, der einem speziellen, mehrstufigen Wärmebehandlungsprozess unterzogen wird, der zu einem feinkörnigen Gefüge von beispielloser Homogenität führt. Durch diesen mehrstufigen Wärmebehandlungsprozess werden extrem hohe Härtewerte von 65 HRC erzeugt, wodurch das Lager unempfindlicher gegenüber Kollisionen und Stoßbelastungen ist als Lager aus 100Cr6. Bei einer Verunreinigung des Schmierstoffs führt die hohe Materialhärte zu einer Reduzierung der Erstschäden durch Überrollen von Fremdpartikeln.

Dieses spezielle Wärmebehandlungsverfahren verleiht Vacrodur außerdem seine thermische Stabilität. Im Gegensatz zu herkömmlichen Wälzlagerstählen wie 100Cr6 nimmt die Härte von Vacrodur nicht ab – selbst bei Temperaturen über 150 °C. Die Materialeigenschaften bleiben auch bei extrem hohen Anwendungstemperaturen von bis zu 400 °C stabil. Die daraus resultierende Robustheit von Spindellagern aus Vacrodur zeigt sich besonders dort, wo eine unzureichende Schmierstoffversorgung vorliegt. Solche unerwünschten Betriebszustände gehen meist mit stark ansteigenden Temperaturen im Wälzkontakt einher und führen zu einem erheblichen Härteverlust. Die thermische Stabilität von Vacrodur sorgt dagegen für eine erhebliche Sicherheitsreserve.

Nach einem von der renommierten internationalen Klassifikationsgesellschaft Germanischer Lloyd zertifizierten Testverfahren konnte mit Vacrodur bei guten Schmierbedingungen eine Lebensdauerverlängerung um mehr als das 13-fache gegenüber Standard-Wälzlagerstahl erreicht werden. Bei Tests mit Mischreibung erhöht sich dieser Unterschied in der Gebrauchsdauer sogar um den Faktor 25. Unter kontrollierten Verschmutzungsbedingungen, also einer definierten Verunreinigung des Schmierstoffs mit mineralischen Partikeln, ergibt sich eine Lebensdauersteigerung um das 24-fache gegenüber dem bisherigen Wälzlagerstahl-Benchmark , Schaefflers eigenes Cronidur, war nachweisbar.

Muntz: Die X-life-Hochgeschwindigkeits-Spindellagerbaureihe von Schaeffler ist in den Leistungsvarianten M, HCM und VCM erhältlich – letztere mit Keramikwälzkörpern und Vacrodur-Lagerringen. Die Varianten basieren auf den Maßreihen 70 und 719 und Nennkontaktwinkeln von 17 und 25 Grad. Ein wesentliches Entwicklungsziel des neuen Designs bestand darin, die Änderung der Lagervorspannung über einen weiten Bereich von Betriebsparametern auf ein Minimum zu beschränken. Denn die Lageranordnung muss die unterschiedlich starken thermischen Ausdehnungen zwischen Welle und Gehäuse und sogar die Ausdehnung der Lagerinnenringe aufgrund von Zentrifugalkräften in axialer und radialer Richtung ausgleichen. Die gezielte Abstimmung von Kugelgröße, Laufbahnprofil (Schmiegung) und Kontaktwinkel in Kombination mit der radialen Lagerluft ergab eine optimierte Lösung.

Schmierbedingungen, Eindringen von Verunreinigungen, geometrische Fehler und natürlich das Lastkollektiv können die Lebensdauer eines Spindellagers maßgeblich beeinflussen. Es ist dieser Mix verschiedener Einflussfaktoren, der das Lager einer Belastung aussetzt. Vacrodur kann unter diesen Betriebsbedingungen widerstandsfähiger arbeiten als andere Wälzlagerstähle.

Durch den Einsatz von Vacrodur-Lagern konnte der zuvor genannte Kunde den Garantieschutz für seine Hauptwerkzeugmaschinenspindeln verdoppeln, ohne die Anzahl der Betriebsstunden während der Garantiezeit zu begrenzen. Dies war möglich, weil die meisten Spindelausfälle in der Regel auf Verschleiß, unzureichende Schmierung und Lagerverschmutzung zurückzuführen sind – genau die Bedingungen, für die die Vacrodur-Spindellager von Schaeffler einen erheblichen technologischen Fortschritt darstellen.

Muntz: Der Stand der Technik bei Werkzeugmaschinen verändert sich ständig. Werkzeuge und Prozesse erfordern höhere Spindelgeschwindigkeiten als je zuvor. Forderungen nach mehr Durchsatz erfordern höhere Belastungen und Vorschubgeschwindigkeiten, die sich auf die Spindel auswirken. In der Vergangenheit wurde die Nennleistung einer Maschine durch die Einschränkungen der Spindel bestimmt – was bedeutet, dass eine robustere Spindel zu einer leistungsfähigeren Werkzeugmaschine führen kann.

Eine ordnungsgemäß konstruierte und eingesetzte Spindel sollte viele Jahre lang störungsfrei funktionieren. Leider ist die Betriebsumgebung der Werkzeugmaschine oft rau, mit Kühlmittel, Spänen, Verunreinigungen und gelegentlichen Unfällen. Mit Vacrodur-Lagern können Maschinen länger laufen, auch wenn Schäden durch die oben genannten Betriebsbedingungen eintreten. Dadurch können Wartungsteams Ausfallzeiten dann planen, wenn es ihnen am besten passt.

Muntz: Spindeln gibt es nicht nur in der Welt der Werkzeugmaschinen. Insbesondere Hochgeschwindigkeitsspindeln werden in der Holzbearbeitung, Verbundwerkstoffherstellung, Luft- und Raumfahrt, medizinischen Geräten, Pumpen, Lüftern, Kompressoren, Turboladern, Kreiseln, Stabilisatoren und Dutzenden ähnlicher rotierender Systeme eingesetzt. Einige dieser Anwendungen bringen herkömmliche Lager an ihre Grenzen. Viele dieser Anwendungen sind für die Produktion von entscheidender Bedeutung und können eine ungeplante Abschaltung aufgrund eines plötzlichen und katastrophalen Ausfalls nicht tolerieren. Vacrodur-Lager sollten nicht nur die nominelle Lebensdauer der Maschine verlängern, sondern auch einen Sicherheitsspielraum am Ende dieser Lebensdauer bieten.

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