• Land: Deutschland
  • Autor(en): Tilo Michal
  • Artikel vom: 06 Februar 2014
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  • Kategorie(n): WERKZEUG ANWENDUNGEN, Mikrowerkzeuge, Weitere Anwendungen
  • Der Zwang zur Miniaturisierung bringt Bauteile an ihre Grenzen

    Die Anforderungen an Wälzlager werden höher: Kleiner, belastbarer und präziser ist die Devise. Auch die Bewertungskriterien verschärfen sich. Darüber hinaus muss jedes Teil im Zusammenspiel mit anderen in der Baugruppe definierte Anforderungen hinsichtlich Geräuschentwicklung und Verschleißbeständigkeit erfüllen. Diamond Business sprach mit Siegfried Hesse, dem Produktmanager für Wälzlagermaschinen von Thielenhaus Technologies.

    DIAMOND BUSINESS: Wälzlager gehören in Industrieländern zu den am meisten verwendeten Komponenten im Maschinen- und Anlagenbau. Von ihrer einwandfreien Funktion hängt die sichere und wirtschaftliche Arbeitsweise von Maschinen, Motoren und Aggregaten ab. Durch die Miniaturisierung in allen Bereichen hat die Wälzlagerindustrie ständig steigende Ansprüche an die Belastbarkeit ihrer Produkte zu erfüllen. Wie kann Ihr Bearbeitungsverfahren den Lagerherstellern bei der Erreichung dieser Aufgaben helfen?

    Siegfried Hesse: Der Zwang zum verantwortungsbewussten Umgang mit Energie und Rohstoffen führt überall zu einer höheren Belastbarkeit der Bauteile bei gleichzeitiger Miniaturisierung. Die Anforderungen an die Qualität der Wälzlager steigen damit ständig. Daneben sind Langlebigkeit und Funktionssicherheit, aber auch Wirtschaftlichkeit und Prozesskosten die maßgeblichen Technologietreiber. Vor diesem Hintergrund gewinnt die Feinstbearbeitung von Wälzlagern an Bedeutung. Eine höhere Belastbarkeit der Oberflächen erlaubt eine Verringerung von Abmessungen und Gewichten bei gleicher Leistung. Die Wahl der richtigen Oberflächen-Feinstruktur von schnelllaufenden Lagern ist zudem ausschlaggebend für das Geräuschverhalten. Darüber hinaus führen die Verringerungen der Bauteilabmessungen und damit verbundene Verkürzungen der Bearbeitungszeiten oft zu erheblichen Kosteneinsparungen.

    Was bewirkt das Microfinish-Verfahren?

    Das bewährte und stets weiterent-wickelte Verfahren sichert bei verkürzten Bearbeitungszeiten feinste Oberflächenrauheiten und höchste geometrische Formgenauigkeit. Aufgrund der feinen Oberflächen erhöhen sich Traganteil sowie Belastbarkeit, und die exakte Formgenauigkeit verbessert die Laufeigenschaften der Wälzlager. Je nach Anforderung und Aufgabenstellung sichert Microfinish gleichmäßige Oberflächengüten nicht selten um Ra 0,02 μm und Traganteile Rmr bis zu 99,99 %. Durch die niedrige Arbeitstemperatur ist das Oberflächengefüge der Randzonen nach der Bearbeitung erheblich belastbarer als zuvor. So können beispielsweise die für die Energieeffizienz und Geräuschemission wichtigen Gleit- und Reibeigenschaften durch die Schaffung bestimmter Oberflächen-Topografien mit Längs- oder Kreuzspuren in erheblichem Maße gezielt beeinflusst werden. Die Palette der bearbeitbaren Werkstücke reicht von Ringen mit 3 mm Bohrung bis zu 1.600 mm Außendurchmesser, also von Miniatur- bis zu Großlagern.


    Wie funktioniert das Verfahren?

    Unsere Technologie basiert auf einem speziellen Mikro-Honverfahren, bei dem die Honwerkzeuge in Zusammensetzung und Härte an die zu bearbeitenden Werkstoffe angepasst werden. Korngröße, Kornart und Bindung ergeben sich aus der geforderten Zerspanung und der verlangten Oberflächenrautiefe. Bei den Werkzeugbewegungen handelt es sich um lineare Oszillationen für zylindrische und konische Teile im Einstech- oder Durchlaufverfahren, um rotierende Werkzeuge bei ebenen, sphärischen, konkaven oder konvexen Werkstücken sowie um radiale Oszillationen bei Kugellaufbahnen und anderen gewölbten Profilen. Erreicht werden gleichmäßige Oberflächengüten in engsten Toleranzen.

    Wo liegen die Vorteile des Verfahrens?

    Sämtliche konventionelle Bearbeitungsverfahren haben ihre Grenzen, die eine Abweichung von der mathematisch optimalen Form ergeben. Diese Grenzen werden mit dem Einsatz von Microfinish erheblich angehoben, indem das Verfahren die Bearbeitungsbewegungen überlagert. Mit einer möglichst großen Überdeckung von Werkzeug und Werkstück können wir beispielsweise dafür sorgen, dass die Rundheit und Feinwelligkeit in erheblichem Maße verbessert wird. Aufgrund der Bearbeitung werden zudem die positiven Druckeigenspannungen in der Oberfläche deutlich erhöht, sodass diese belastbarer wird. Auf diese Weise können Wälzlager bei gleicher Belastbarkeit kleiner werden. Das und die Verringerung der Reibungswerte sind die Schlüsselfaktoren für die immer häufiger geforderte Energieeffizienz. Darüber hinaus ist das Verfahren in der Lage, Geräusche durch vorrangig längsorientierte Spuren, reduzierten Rundlauf und verbesserte Feinwelligkeit zu minimieren.

    Für welche Lagerarten lässt sich das Verfahren nutzen?

    Für sämtliche Wälzlagerarten, wie z.B. Kugellager, Zylinder-, Kegel- und Rollenlager sowie Pendelrollenlager.

    Bleiben wir zunächst bei den Kugellagern. Für welche Typen haben Sie Maschinen zur Oberflächenfeinstbearbeitung im Programm? Wir bieten Problemlösungen für einreihige und zweireihige Kugellager, Axial- und Sonderkugellager. Auch die Feinstbearbeitung von Ringen mit zwei Laufbahnen erfolgt in einem einzigen Durchgang. Dadurch ist der schlagfreie Lauf beider Bahnen zueinander sichergestellt. Unsere Maschinen der Bearingstar-Plattform lassen sich durch den Austausch der werkstückabhängigen Teile auch für Sonderkugellager einrichten. Die Maschinen arbeiten nach der Zwei-Schritt-Methode, vollziehen also das Vor- und Fertigfinish mit zwei verschiedenen Werkzeugen. Zunächst bewirkt ein Stein mit relativ grober Körnung in kürzester Zeit den gewünschten Materialabtrag und die Beseitigung makrogeometrischer Fehler. Danach erzeugt ein Stein mit feiner Körnung in wenigen Sekunden die verlangte Güteklasse.


    Welche Werkzeuge kommen bei der Bearbeitung von Miniatur-Wälzlagern zum Einsatz?

    Im Miniaturbereich arbeiten wir mit Steinwerkzeugen aus Edelkorund, Siliziumcarbid, cBN oder mit diamantgebundenen Werkzeugen in unterschiedlichen Bindungen und Körnungen.


    Welche Auswirkungen hat das Verfahren auf die Funktionssicherheit der Wälzlager?

    Zunächst ermöglicht Microfinish eine weitgehende Beseitigung des Taumelschlags von Laufbahnen, und dadurch auch eine deutliche Verringerung der Laufgeräusche. Entscheidend ist die Qualität des Querprofils. Ohne Feinstbearbeitung tritt hier häufig der sogenannte W-Effekt auf, bei dem die Punktberührung und Lastkonzentra-tion zwischen Kugel und Laufbahn zu hoher spezifischer Materialbelastung führen. Ideal ist das Querprofil dann, wenn der exakte Radius etwas größer ist als derjenige der Kugel. Lager mit solchen Laufbahnqualitäten sind erheblich stärker belastbar und bieten deutliche Vorteile in puncto Betriebssicherheit und Lebensdauer. Die Losgrößen für Wälzlager sind heute oft klein, die Anzahl der Varianten ist aber groß. Die Maschinen müssen daher sehr flexibel rüstbar sein...

    Unsere Bearingstar-Baureihe ist modular aufgebaut und von daher flexibel an veränderte Losgrößen anpassbar. Alle Maschinen lassen sich nach dem Austausch der werkstückführenden Teile auf einen anderen Ring umstellen, vom Innen- auf den Außenring, vom kleineren auf das größere Werkstück, von einreihigen auf zweireihige Lager. Die Bearbeitungsparameter sind stufenlos zu variieren. Dadurch ist es möglich, mit der Laufbahnbearbeitung zugleich den Übergang zu den Schultern abzurunden. Das sorgt für einen wesentlichen Montagevorteil, weil eine Beschädigung der Kugeln beim Einfüllen durch scharfe Kanten verhindert wird. Seit kurzem haben wir sogar eine neue 1-Station-Maschine im Programm, die in nur einer Aufspannung eine 2-Schritt-Bearbeitung mit je einem Vor- und Fertigfinish-Honstein ermöglicht. Durch die eine Aufspannung werden Spannfehler und Ungenauigkeiten bei der Anformung des Fertigfinish-Honsteins, wie sie bei der Bearbeitung auf zwei Stationen auftreten können, vollständig eliminiert.

    Was sind die schwierigsten Bearbeitungsaufgaben?

    Das sind sicherlich die Vier-Punktlager-Kugellaufbahnen mit den hier vorkommenden gotischen Profilen der Lagerringe. Bei dieser Bearbeitungsaufgabe spielt unsere neu entwickelte, durch einen Torque-Motor direkt angetriebene Doppeloszillation Hypermotion ihre Vorteile aus: Im Vergleich zur üblichen Bearbeitung erlaubt Hypermotion einen kleineren Hauptoszillationswinkel und eine größere Werkzeughöhe, sodass eine noch bessere Bearbeitung der Rundheit gewährleistet und die Beeinträchtigung des Laufbahn-Querprofils reduziert ist. Darüber hinaus haben wir auch für die Werkstückaufnahme ein eigenes Verfahren für Rundheit entwickelt, das unter der Bezeichnung Hydrocentric weltweit patentiert ist. Damit sind ein berührungs- und verspannungsfreier Lauf und die bestmögliche Zentrierung auf einem Spülölfilm gewährleistet. Abweichungen in Bohrung oder Außendurchmesser können nicht auf die Laufbahn übertragen werden.


    Zylinder-, Kegel- und Rollenlager. Wie entwickeln sich hier die Anforderungen?

    Kriterien sind hier ebenfalls der Zwang zur Energieeinsparung, die Ausdehnung von Garantiefristen, zunehmende Belastungen und natürlich auch der Trend zu immer kleineren Abmessungen. Unsere Maschinen bearbeiten die Innen- und Außenringe von Zylinder- und Kegelrollenlagern. Bei Innenringen von Kugelrollenlagern hat der Bord entscheidenden Einfluss auf Belastbarkeit, Lebensdauer und Energieverbrauch. Voraussetzungen für Miniaturisierung sowie einen energiesparenden und verschleißarmen Betrieb sind optimales Profil, geringe Rautiefe ohne Welligkeit und die Beseitigung der nach dem Schleifen entstandenen Weichhaut. Mit Microfinish beseitigen wir Welligkeiten, schaffen ein perfektes Querprofil und sichern Formabweichungen und Rautiefen von auch deutlich weniger als 1 μm.

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