Spindellager aus Vacrodur mit 20-fach höhere Gebrauchsdauer
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Schaeffler hat mit Vacrodur einen Wälzlager-Werkstoff entwickelt, mit dem Hersteller von Werkzeugmaschinen die Belastbarkeit der Spindeln hinsichtlich dynamische Tragfähigkeit deutlich steigern können. Auch die Gebrauchsdauer lässt sich selbst unter schwierigsten Bedingungen signifikant verlängern. Geringere Stückkosten, längere Maschinenlaufzeiten und höhere Verfügbarkeit sind der Nutzen für den Werkzeugmaschinenbau.
Inhalt des Fachartikels
- Härte von Vacrodur bis 400 °C stabil
- Gegen abrasiven Verschleiß beständig
- Weitere Spindellager für Werkzeugmaschinen
Nach aktuellen Untersuchungen sind gut 80 % aller ausfallverursachenden Spindelschäden auf die Spindellagerung zurückzuführen. Mit einem innovativen Herstellungsverfahren, speziellen Legierungsbestandteilen und einer darauf abgestimmten mehrstufigen Wärmebehandlung realisierte Schaeffler die Entwicklung des neuen Hochleistungs-Wälzlagerstahl Vacrodur.
Härte von Vacrodur bis 400 °C stabil
Anders als bei konventionellen Wälzlagerstählen wie 100Cr6 sinkt bei Vacrodur die Härte bei Temperaturen von über 120 °C nicht, sondern bleibt bis über 400 °C stabil. Bis zu dieser sehr hohen Temperatur tritt keine Gefügeumwandlung auf. Sämtliche Werkstoffeigenschaften ändern sich nur vernachlässigbar.
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Spindellager aus Vacrodur bleiben daher auch bei sehr hoher thermischer Belastung, wie sie z. B. durch die Abwärme in einer Motorspindel oder aufgrund von Mangelschmierung entsteht, hoch belastbar und extrem lange maß- und formstabil.
Der Schmutzeintrag stellt oft einen der Hauptfaktoren zur Limitierung der Spindellager Gebrauchsdauer dar. Mehrere Mechanismen sind hierfür verantwortlich: Abrasion und verschiedene Initialschädigungen der Komponenten durch Partikeleinlagerungen.
Gegen abrasiven Verschleiß beständig
Vacrodur von Schaeffler Technologies verfügt über ein sehr homogenes Gefüge mit einem hohen Anteil an sehr fein verteilten Karbiden. Die Karbide sind für die außergewöhnliche Beständigkeit von Vacrodur gegen abrasiven Verschleiß verantwortlich. Eine mehrstufige Wärmebehandlung des speziell legierten Werkstoffs erzeugt außerdem sehr hohe Härtewerte von bis zu 65 HRC und ein zähes Grundgefüge, das den sehr hohen Temperaturen der Komponenten von über 400 °C ohne Härteverlust widersteht.
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Durch die größere Härte im Vergleich zu anderen Wälzlagerstählen entstehen beim Überrollen eines Fremdpartikels in der Laufbahn kleinere Eindrücke und damit auch niedrigere Aufwürfe. Diese können bei den folgenden Überrollungen durch die duktile Werkstoffmatrix wieder leicht zurückgebildet werden. In Versuchen unter kontrollierten Verschmutzungsbedingungen konnte im Vergleich zum bisherigen Benchmark eine fast 20-fache Steigerung der Gebrauchsdauer bis zum Lagerausfall realisiert werden.
Die hohe Wälzfestigkeit und Beständigkeit gegen Ermüdung durch Überrollung bei guten Schmierverhältnissen führt zu der signifikant höheren Gebrauchsdauer von Lagern aus Vacrodur. In zertifizierten Versuchen konnte eine 2,4-fache höhere dynamische Tragfähigkeit im Vergleich zum Standardwälzlagerstahl 100Cr6 nachgewiesen werden.
Dies entspricht einer 13-fachen Verlängerung der nominellen Lagerlebensdauer. Unter Mangelschmierungsbedingungen ergibt sich sogar eine 25-fache Verlängerung.
Weitere Spindellager für Werkzeugmaschinen
Die Hauptspindel ist maßgeblich für die Leistungsfähigkeit von Werkzeugmaschinen verantwortlich. Drehzahlen, Steifigkeit und Robustheit bestimmen die Auswahl der Spindellager. Bei der Entwicklung der M-Baureihe in X-life-Qualität haben die Schaeffler Ingenieure besonderen Wert auf die reibungsoptimierte Innenkonstruktion und eine große Toleranz gegenüber schnell wechselnden thermischen Betriebszuständen gelegt. Denn diese trifft man in Motorspindeln häufig an.
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Durch die optimierte Konstruktion ergibt sich ein deutlich geringerer Anstieg der Lagervorspannung durch zum Beispiel Überdeckung von Bohrung und Lager, hohe Drehzahlen und große Temperaturgradienten zwischen Welle und Gehäuse.
Drei Varianten an Spindellagern
Die M-Baureihe von Schaeffler gibt es in den drei Perfomanceklassen M, HCM und VCM.
Bei der M-Variante sind Kugeln und Ringe der X-life High-Speed Spindellager aus dem Wälzlagerstahl 100Cr6 gefertigt. Diese Variante stellt eine leistungsfähige und wirtschaftliche Lagerlösung für Motorspindeln dar.
Die X-life High-Speed-Spindellager der HCM-Variante sind mit Keramik Kugeln ausgestattet, die Ringe bestehen aus Wälzlagerstahl 100Cr6. Mit Einsatz der HCM-Variante lässt sich aufgrund der sehr hohen Drehzahleignung die Leistung von Motorspindeln steigern.
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Die Kugeln der X-life High-Speed-Spindellager der VCM-Variante bestehen ebenfalls aus Keramik. Die Lagerringe hingegen sind aus dem oben beschriebenen Hochleistungswerkstoff Vacrodur gefertigt. Dieser Hochleistungsstahl verfügt über die o. g. herausragenden Eigenschaften.
Große Variantenauswahl mit vielen Baugrößen
Die X-life High-Speed Spindellager M, HCM und VCM gibt es für die Maßreihen 70 und 719 mit einem nominellen Druckwinkel von 17 bzw. 25 Grad. Es stehen drei unterschiedliche Vorspannungen zur Auswahl. Mögliche Bohrungsdurchmesser reichen von 25 bis 130 mm, abgedichtet zunächst von 50 bis 80 mm. Die Spindellager können sowohl offen als auch abgedichtet ausgeführt werden. Optional bietet Schaeffler die Lager in Direct-Lube-Ausführung mit Schmierbohrungen und Dichtringen am Außenring an.
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Werkzeugmaschinen und Spindel Hersteller können bei einer Umstellung ihrer Spindellager auf die X-life M-Serie zwischen den drei Performance Klassen wählen. Die im Schnitt längere Gebrauchsdauer führt zu signifikanten Einsparungen bei den Betriebskosten der Werkzeugmaschinen.
Bezogen auf die Betriebsstunden fallen zudem geringere Kosten für die Spindelreparatur an. Vor allem die Spindellager VCM aus Vacrodur widerstehen selbst schwierigsten Einsatzbedingungen erheblich länger als Lager aus konventionellen Werkstoffen und machen Spindelantriebe deutlich robuster.
Die erste FAG Spindellager-Baureihe in X-life-Qualität aus Vacrodur hat Schaeffler Technologies erstmals zur EMO 2017 präsentiert.
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