Einsatz von Hartstoffbeschichtungen bei Spindellagern

Einsatz von Hartstoffbeschichtungenbei SpindellagernApplication of hard surface coatings for spindle bearings

C. Brecher, G. Spachtholz, G. Gerlach

Die Anspruche an moderne Werkzeugmaschinen (WZM) steigenkontinuierlich mit den Forderungen der Produktion nach qualitativhochwertigen und immer kurzeren Bearbeitungsprozessen. Insbe-sondere die Zunahme der Bearbeitungs- und Schnittgeschwindig-keiten der letzten Jahre fuhrt zu einer hoheren Belastung der Lage-rung der Hauptspindel. Diese kennzeichnet als zentrale Komponen-te das Leistungsvermogen einer Werkzeugmaschine fur die spanen-de Bearbeitung und ist maßgebend fur die Zuverlassigkeit derHauptspindel.

Die uberwiegend eingesetzten Spindellagerungen sind walzgela-gert ausgefuhrt. Ein großer Anteil der in der Praxis auftretendenSpindelausfalle resultiert aus mangelnder bzw. unzureichenderSchmierung der Lagerungen und somit aus den tribologischenEigenschaften der Walzpartner. Zur Reduzierung von Reibungund Verschleiß werden heutzutage sowohl unterschiedliche Werk-stoffe und Beschichtungen fur die Lagerkomponenten eingesetzt alsauch verschiedene Additive den Schmierstoffen zugefugt.

Aktuelle Forschungen zielen darauf ab, Hartstoffschichten (a-C:H:W) mit einer Metall-Nanodotierung fur den Walzkontakt zuentwickeln, welche die Zuverlassigkeit der Lager erhohen sollen.

In diesem Artikel wird daher die Erprobung von Lagern mit na-nostrukturierten Schichtsystemen zur Reduktion der Reibung undsomit der Warmeeinbringung sowie des Verschleißes vorgestellt.Dazu werden die Schichtsysteme durch Voruntersuchungen furden Einsatz in Spindellagern gepruft. Basierend auf diesen Ergeb-nissen werden die Lagerringe von Standard-Hybrid-Spindellagernbeschichtet und die Schichthaftung hinsichtlich Drehzahleignung,Dauerfestigkeit sowie Verschleißverhalten bei hoher Beschleuni-gung analysiert. Abschließend werden die Notlaufeigenschaftender Lagerkomponenten bei Mangelschmierung evaluiert, um dasEinsatzfeld der Beschichtungen ermitteln zu konnen.

Schlusselworte: Spindellager, PVD Hartstoffbeschichtung (a-C:H:W), nanostrukturierte Schichtsysteme, Reibung, Verschleiß

The demands on modern Machine Tools ascends continuouslywith the requirements of the production for high quality andshort-time processings. Particularly the increase of the processing-and removal times of the last years dues to higher loads of the mainspindle bearing. The bearing as a central machine component char-acterises the performance of the Machine Tool for the cutting pro-cess and defines the reliability of the main spindle.

The majority of the applicated spindle bearings are ball bearings.A large amount of the spindle fall-outs is caused by a non adequateor defecitive lubrication and is effected by the tribological proper-ties of the bearing elements. For the reduction of friction and wearnowadays several materials, coatings and lubrication additives areapplied.

Actual researches focus on the development of hard surface coat-ings (a-C:H:W) with a nano structure for the rolling contact of ballbearings to increase their reliability.

In this article the test of nano structured hard surface coating sys-tems for the reduction of friction, warming and wear are presented.Thus the coating systems are verificated for the application in spin-dle bearings by pretesting. According to the evaluation the innerand outer raceway of standard-hybrid bearings are coated andthe adhesion in reference to rotational speed, resistance andwear performance at high acceleration is analysed.

Concluding the emergency running properties at dry-runningcondition is evaluated to identify the field of application for thecoatings.

Keywords: spindle bearing, PVD hard surface coating (a-C:H:W), nano-structured coating, friction, wear

1 Einleitung

Die Anspruche an moderne Werkzeugmaschinen (WZM)steigen kontinuierlich mit den Forderungen der Produktionnach qualitativ hochwertigen und immer kurzeren Bearbei-tungsprozessen. Insbesondere die Zunahme der Bearbeitungs-und Schnittgeschwindigkeiten der letzten Jahre fuhrt zu einerhoheren Belastung der Lagerung der Hauptspindel. Diesekennzeichnet als zentrale Komponente das Leistungsvermo-gen fur die spanende Bearbeitung und ist maßgebend furdie Zuverlassigkeit der Hauptspindel der gesamten Werkzeug-maschine [1].

Die uberwiegend eingesetzten Spindellagerungen sindwalzgelagert ausgefuhrt und bestehen aus einem Festlager-im vorderen Bereich und einem Loslagerpaket im hinterenBereich der Spindel. Ein großer Anteil der in der Praxis auf-tretenden Spindelausfalle resultiert aus mangelnder bzw. un-zureichender Schmierung der Lagerungen und somit aus den

tribologischen Eigenschaften der Walzpartner [2], [3]. Zur Re-duzierung von Reibung und Verschleiß werden heutzutage so-wohl unterschiedliche Werkstoffe und Beschichtungen fur dieLagerkomponenten eingesetzt als auch verschiedene Additiveden Schmierstoffen zugefugt.

Aktuelle Forschungen, die im Rahmen des von der Deut-schen Forschungsgemeinschaft geforderten Sonderfor-schungsbereich 442 durchgefuhrt werden, untersuchen die tri-bologischen Systemeigenschaften in den Walzkontakten [4]und zielen darauf ab Hartstoffschichten (a-C:H:W) mit einerMetall-Nanodotierung fur den Walzkontakt zu entwickeln,welche die Zuverlassigkeit der Lager erhohen sollen [5].

In den nachfolgend dargestellten Untersuchungen wird dieErprobung von Lagern mit nanostrukturierten Schichtsyste-men zur Reduktion der Reibung und somit der Warmeeinbrin-gung sowie des Verschleißes vorgestellt. Dazu werden dieSchichtsysteme durch Voruntersuchungen fur den Einsatzin Spindellagern gepruft [6]. Basierend auf den Ergebnissen

DOI: 10.1002/mawe.200800281 Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 2008, 39, No. 7

466 F 2008 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

werden die Lagerringe von Standard-Hybrid-Spindellagernbeschichtet [7] und die Schichthaftung hinsichtlich Drehzahl-eignung, Dauerfestigkeit sowie Verschleißverhalten bei hoherBeschleunigung analysiert. Abschließend werden die Notlauf-eigenschaften der Lagerkomponenten bei Mangelschmierungevaluiert, um das Einsatzfeld der Beschichtungen ermitteln zukonnen.

2 Prufstandsaufbau

Die Einsatzmoglichkeiten von Beschichtungen in hochbe-lasteten Maschinenkomponenten hangen im Wesentlichenvon der Schichthaftung und dem auftretenden Verschleiß ab[8]. Die dargestellten Versuche lassen sich daher in die Berei-che Schichtentwicklung, Schichterprobung und die Untersu-chung der Notlaufeigenschaften untergliedern, um die Eig-nung der Beschichtung eingehend zu untersuchen. Die Ent-wicklung von Hartstoffbeschichtungen fur Spindellager wur-de am Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachenzunachst auf so genannten Triboscheiben durchgefuhrt. Diesebilden den Innenring-Walzkontakt des Spindellagers hinsicht-lich Druckwinkel, Kugel- und Laufbahndurchmesser ab [4].Der Unterschied zum Spindellager liegt darin, dass keineSchmiegung zwischen Kugel und Laufbahn vorliegt unddass somit hohere Hertz’sche Oberflachenpressungen einge-stellt werden konnen (bis zu 3 000 MPa). Ein weiterer Aspektist, dass die hohen Kosten fur die Lagertests auf Grund derBeschaffung und der aufwandigen Montagearbeiten durchdie Verwendung von Triboscheiben reduziert werden konnen[9]. Fur die Untersuchung wurde der dargestellte Tribometer-prufstand verwendet, Bild 1.

Der Antrieb erfolgt durch einen Riemen uber die Kupplungauf die Zwischenwelle. Auf diese wird die Triboscheibe ubereine Schraubverbindung fixiert. Außenring, Kafig und Walz-korper werden in einem Lagergehause aufgenommen, wel-ches im Lagerbock hydrostatisch gelagert ist. Die erforderli-che Vorspannung wird mittels hydraulischem Kolbensystem

in der Vorspanneinheit erzeugt und auf den Lagerbock uber-tragen [4].

Im Vergleich zu Triboscheiben stellen Spindellager erhohteAnforderungen an die Beschichtungstechnik. Die Hertz’schenPressungen sind auf Grund der Schmiegung (Verhaltnis Ku-gelradius zu Rillenradius) zwar deutlich geringer, durch dieGeometrie werden allerdings spezielle Bahnfuhrungen derHalterung wahrend des Beschichtungsprozesses erforderlich,um eine gleichmaßige Schichtabscheidung im Bereich derLaufbahn sicherzustellen [5]. Fur die Erprobung der Schich-ten werden die Lagerungen auf dem dargestellten Spindella-gerprufstand verschiedenen Last- und Drehzahlprofilen aus-gesetzt, Bild 2.

Um die Versuchsparameter bis in den Hochdrehzahlbereichausweiten zu konnen, wird ein Direktantrieb verwendet (nmax =40 000 min-1). Die Ubertragung des Antriebsmoments erfolgtuber eine Klauenkupplung auf die Prufstandswelle, welche in-nerhalb des Prufstandskopfes durch ein Stutz- und das zu unter-suchende Pruflager abgestutzt wird. Das Stutzlager ist fettge-schmiert und besitzt auf Grund der kleineren Baugroße und dieAnordnung im Prufstand einen geringen Einfluss auf die Ver-suchsergebnisse. Das Pruflager kann sowohl fett- als auch Ol-Luft-geschmiert betrieben werden. Als Messgroßen werden dieTemperaturen an den einzelnen Lagerstellen ermittelt sowieaus dem Ist-Strom das auftretende Reibmoment berechnet.

3 Schichtentwicklung

Als Beschichtung wurde eine amorphe, wasserstoffhaltigeKohlenstoffschicht (a-C:H:W) fur Lagerringe ausgewahlt [5].In den Tribometeruntersuchungen konnte nachgewiesenwerden, dass die a-C:H:W-Beschichtung in Kurzzeittests(Stahlkugeln: 6h ! 1 600 MPa / 6h ! 2 600 MPa // Kera-mikkugeln: 6h ! 1 900 MPa / 6h ! 2 800 MPa) bis zueiner Belastung von 1 900 MPa unabhangig von dem Werk-stoff des Gegenkorpers (Stahl, Keramik) und der Finish-behandlung (gestrahlt / ungestrahlt) sehr gute Verschleiß-

Bild 1. Aufbau des Tribometerprufstands

Figure 1. Design of the tribometer test bench

Bild 2. Aufbau des Spindellagerprufstands

Figure 2. Design of spindle bearing test bench

Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 2008, 39, No. 7 Einsatz von Hartstoffbeschichtungen bei Spindellagern 467

schutzeigenschaften aufweist. Bei einer Beanspruchung von2 600 MPa bzw. 2 800 MPa trat dagegen eine Streuung derErgebnisse in Abhangigkeit des Kugelwerkstoffs und derStrahlbehandlung auf. Zur Validierung der Ergebnisse wurdendaher Versuche mit einer maximalen Laufzeit von 210 h beivariabler Drehzahl und Belastung durchgefuhrt. Die Ver-suchsparameter zeigt Tabelle 1. Die Versuchsreihe wurde ineine Niederlaststufe (1 600 MPa) bei variabler Drehzahl sowieeine Hochlaststufe (2 600 MPa) bei konstanter Drehzahl un-terteilt. Die Laufzeit wurde in der Hochlaststufe stufenweisevon 20 h uber 50 h auf 100 h gesteigert. Zur Untersuchungdes Einflusses der Oberflachenstruktur durch den Bearbei-tungsprozess wurden Triboscheiben mit und ohne Finish-behandlung erprobt.

Bei den hier untersuchten Spindellagern handelt es sichausschließlich um Hybridlager mit Keramikwalzkorpern.Aus diesem Grund wurde nach den Grundlagenuntersuchun-gen in der zweiten Versuchsreihe auf die Integration vonStahlkugeln verzichtet.

Die Gegenuberstellung der Rauheitsmessschriebe einer ge-strahlten sowie einer ungestrahlten Triboscheibe zeigt die ers-te Spalte von Bild 3. Als Strahlmittel kam Edelkorund (Al2O3,

Korngroße 32,7 lm) zur Anwendung. Die Messschriebe so-wie auch die Oberflachenkennwerte (Rz, Ra, Rpk, Rvk, nichtdargestellt) zeigen keine wesentlichen Unterschiede. BeideTriboscheiben wurden entsprechend der in Tabelle 1 doku-mentierten Vorgehensweise getestet. Nach jeder Stufe wurdedas Tribometer demontiert und die einzelnen Komponenten(Triboscheibe, Kugeln, Außenring) zur Ermittlung vonSchichtverschleiß makroskopisch kontrolliert und gewogen.Nach der letzten Versuchsstufe erfolgte zusatzlich eine Ana-lyse unter dem Rasterelektronenmikroskop (REM).

Die Ergebnisse der Verschleißmessungen an einer Refe-renz-, einer gestrahlten und einer ungestrahlten Scheibe sowieden zugehorigen Walzkorpern zeigt beispielhaft Bild 4. Esverdeutlicht, dass bei den gewahlten Versuchsparameternkein signifikanter Verschleiß auftrat. Eine Tendenz, die aufansteigenden Verschleiß bzw. Schichtubertrag von der Tribo-scheibe auf die Walzkorper hindeutet, war nicht feststellbar.Lediglich die Triboscheibe ohne Finishbehandlung wiesnach der Stufe 5 einen vergleichsweise hohen Massenverlustvon ca. 3,2 mg auf.

Die Ergebnisse der Verschleißanalyse auf Basis der Massender einzelnen Komponenten wurden durch die makroskopi-schen Sichtprufungen bestatigt. Nach den Stufen 1 bis 4 zeig-ten die Laufbahnen aller erprobten Scheiben unabhangig vonder Finishbehandlung keine Schaden. Der Verschleißzustandder Laufbahnen der Triboscheiben mit bzw. ohne Finishbe-handlung ist in den Spalten zwei und drei in Bild 3 dargestellt.Die nassgestrahlte Scheibe zeigte auch bei 1000 facher Ver-großerung keine Markierung des Abwalzbereiches der Ku-geln. Die Triboscheibe ohne Finishbehandlung wies dagegennach der Stufe 5 eine umlaufende Delamination der Beschich-tung auf. Eine EDX-(energy dispersive X-ray spectroscopy)-Untersuchung der Materialzusammensetzung im Bereich derLaufbahn ergab eine vollstandige Ablosung der Schicht bisauf das Substrat.

Unter Berucksichtigung der Ergebnisse sind die Erkennt-nisse aus der prasentierten Versuchsreihe wie folgt zusam-

Tabelle 1. Versuchsparameter Schichtentwicklung

Table 1. Test parameter of the coating development

Parameter Stufe 1 Stufe 2 Stufe 3 Stufe 4 Stufe 5

Drehzahl[min-1]

6 000 9 000 3 000 3 000 3 000

Last [MPa] 1 600 2 600

Dauer [h] 20 20 50 100

Schmierung Synthetischer Ester, 32 mm2/s

Gegenkorper Keramikkugel (Si3N4)

Bild 3. Triboscheiben nach Stufe 5 – mit/ ohne Finish-behandlung

Figure 3. Tribo disc after stage 5 – with/ without fin-ishing

Bild 4. Verschleißmessung an Kugeln und Triboschei-ben, bezogen auf den Ausgangszustand

Figure 4. Wear measuring at balls and tribo discs, re-lated to the initial condition

468 C. Brecher, G. Spachtholz, G. Gerlach Mat.-wiss. u. Werkstofftech. 2008, 39, No. 7

menzufassen. Unabhangig von der Finishbehandlung und demMaterial des Gegenkorpers wies die entwickelte Beschichtungbei einer Belastung von 1 600 MPa in allen durchgefuhrtenTests bei Drehzahlen von 3 000 min-1 bis 9 000 min-1 einegute Haftung ohne Verschleißerscheinungen auf. Bei einerBelastung von 2 600 MPa zeigten alle getesteten Scheibennach einer Versuchsdauer von 70 h kein Schichtversagen.Nach weiteren 100 h Stunden Versuchsdauer war nur die Be-schichtung auf der nassgestrahlten Triboscheibe unbescha-digt. Eine statistische Absicherung fur diese Ergebnisse istBestandteil von zukunftigen Entwicklungsarbeiten.

4 Schichterprobung im Spindellager

Delaminationen des entwickelten Schichtsystems traten inallen durchgefuhrten Testreihen erst bei einer Oberflachen-pressung von 2 600 MPa auf. Spindellager werden in der Re-gel zur Gewahrleistung von Dauerfestigkeit fur eine Bean-spruchung von 2 000 MPa ausgelegt, sodass der Ubergangvon der Triboscheibe auf das Spindellager erfolgen konnte.

Eine wesentliche Herausforderung bei der Beschichtungvon Spindellagern ist die Gewahrleistung einer Prozesstempe-ratur unterhalb 150 �C, um ein Anlassen des Stahls, in der Re-gel 100Cr6, der Lagerringe und einen daraus resultierendenHarteverlust und Verzug zu vermeiden. Zur Kontrolle der Pro-zessbedingungen wurden daher die Rundheit und die Harteder Lagerringe vor und nach der Beschichtung kontrolliert.Die entsprechenden Werte der Innen- und Außenringe vonzwei Lagern sowie zwei Rundheitsmessschriebe eines Außen-ringes zeigt exemplarisch Tabelle 2. Die Rundheits- und Har-tewerte der Außenringe wurden durch den Beschichtungspro-zess nicht beeinflusst. Nach der Beschichtung lag der Rund-heitsfehler aller gemessenen Lagerringe unterhalb eines Mi-krometers. Die Hartewerte waren unverandert, sodass Gefu-geveranderungen ausgeschlossen werden konnten.

Die Referenzuntersuchungen zur Erprobung der Beschich-tung auf Walzlagern wurden mit konventionellen Hybrid-Spin-

dellagern (Baugroße 70) durchgefuhrt. Es sollten die Drehzahl-eignung, die Dauerfestigkeit sowie das Verschleißverhalten beihoher Beschleunigung analysiert werden. Die Versuchsparame-ter zur Untersuchung dieser Aspekte zeigt Tabelle 3.

Die Grenzdrehzahl vergleichbarer, fettgeschmierter Lager-typen von klassischen Walzlagerlieferanten liegt bei 17 000min-1 (n�dm=1,5�106 mm�min-1). Die gewahlte Axiallast von1 000 N entspricht einer mittleren bis hohen Vorspannung.Die resultierende Oberflachenpressung betragt ca. 1 350MPa (1 000 N) bzw. 1 450 MPa (2 000 N). Infolge der unter-schiedlichen Drehzahlen tritt bei 1 000 N Vorspannung dieHauptlast am Außenring, bei 2 000 N am Innenring auf. Kor-respondierend zu der Tribometeruntersuchung wurde auch beiden Spindellagertests der Verschleiß der Laufbahnen sowieder Walzkorper auf Basis der Massen uberwacht.

Die Vergroßerung der ersten 5 Stunden der Versuchsreihe 1und das gewahlte Drehzahlprofil sowie die zugehorige Ent-wicklung von Außen- und Innentemperatur des Pruflagerszeigt Bild 5. Der Prufstand wurde jeweils innerhalb von 20s auf die Zieldrehzahl beschleunigt, anschließend 120 s beikonstanter Drehzahl betrieben und schließlich wieder biszum Stillstand abgebremst. Die Drehzahl wurde gestuft von5 000 min-1 in 5 000 er Schritten bis 30 000 min-1 erhohtund anschließend wieder bis 5 000 min-1 reduziert. Durch

Tabelle 2. Einfluss des Beschichtungsprozesses aufRundheit und Harte

Table 2. Influence of the coating process to roundnessand hardness

Bild 5. Vergroßerung des Rampenlaufs, 0 h bis 5 h Be-triebsdauer

Figure 5. Magnification of the ramp form test, 0 h until5 h duration

Tabelle 3. Versuchsparameter Schichterprobung

Table 3. Test parameter for the coating test

Parameter Stufe 1 Stufe 3 Stufe 5

Drehzahl[min-1]

Rampe,0 – 30 000

Konstant,27 000

Konstant,17 000

Last [N] 1 000 1 000 2 000

Dauer [h] 100 300 300

Schmierung Fett, 5 g, BF 72 – 22 (Kluber Lubrication KG)

Lagertyp Spindellager, Si3N4-Walzkorper


den gewahlten Zyklus durchlief das Lager kontinuierlich denMischreibungsbereich, sodass die Beschichtung realitatsnahbeansprucht wurde. Die gesamte Versuchsdauer betrug 100 h.

Die Temperaturmessschriebe in Bild 5 zeigen, dass sich einperiodisches Temperaturprofil auf konstantem Niveau einstellt.

Den gesamten Versuchsverlauf zeigt das Diagramm in Bild6. Die Lagertemperatur variierte in Abhangigkeit der jewei-ligen Drehzahl zwischen 40 �C und 50 �C. Aufgrund des kon-stanten Betriebsverhaltens des Lagers trotz der bestandigwechselnden Drehzahlen konnte von einem verschleißfreienZustand der Lagerringe ausgegangen werden.

Diese Annahme wurde bei der Demontage des Lagers nachAbschluss des Versuches durch eine makroskopische Sicht-prufung sowie durch die Analyse der Massen der einzelnenKomponenten bestatigt (s. Tabelle 4). Es konnte somit nach-gewiesen werden, dass auch bei Betrieb des Lagers im Misch-reibungsgebiet bei niedrigen bzw. hochsten Drehzahlen keinVerschleiß der Beschichtung auftritt. Den Temperaturverlaufsowie das Drehmoment des Lagers wahrend der Stufe 2 derTestreihe (konstante Drehzahl 27 000 min-1, Axiallast 1 000N) reprasentiert Bild 7. Auffallig ist der ausgepragte Tempe-ratur- und Drehmomentabfall nach ca. 20 h Versuchsdauer. ImAnschluss zeigte das Lager, abgesehen von kurzzeitigen Tem-peratur- bzw. Drehmomentpeaks, ein regelmaßiges Betriebs-verhalten bei einer Temperatur von ca. 65 �C und einem Dreh-moment von ca. 0,21 Nm. Nach Uberschreiten einer Versuchs-dauer von 250 h stiegen die Temperatur sowie das Drehmo-ment uber einen Zeitraum von 25 h kontinuierlich bis zum

Uberschreiten der zulassigen Einsatztemperatur des Fettes(75 �C) an, sodass der Versuch abgebrochen wurde.

Die Laufbahnen des demontierten Lagers wiesen erneut kei-nen Verschleiß auf. Der Ausfall wurde durch den Kafig desLagers hervorgerufen. Im Bereich des Fuhrungsbordes wurdenMaterialpartikel abgetragen, die sich im Fett sowie auf denLaufbahnen des Lagers ablagerten und schließlich zum Ausfallfuhrten, Bild 8. Der Temperaturabfall bzw. -anstieg zu Beginnund gegen Ende des Versuches lasst sich aufgrund dieser Ab-lagerungen durch folgende Hypothese erklaren.

Zu Beginn des Versuches lag infolge von thermischer bzw.Zentrifugalkraft bedingter Aufweitung Kontakt zwischen Ka-fig und Lagerfuhrungsbord vor, der ausgepragte Reibung undinfolgedessen eine Erhohung der Lagertemperatur und desDrehmomentes bewirkte. Im weiteren Verlauf des Versucheswurden sukzessive Materialpartikel von dem Fuhrungsborddes Kafigs abgetragen, sodass sich die Reibung und – infolge-dessen – die Lagertemperatur innerhalb der ersten 20 h vonuber 70 �C auf 60 �C bis 65 �C verringerten. Bedingt durchden auf diese Weise optimierten Fuhrungsbordaußendurch-messer zeigte das Lager wahrend der folgenden 230 h einweitgehend konstantes Betriebsverhalten. Der Temperaturan-stieg nach 250 h ist vermutlich darauf zuruckzufuhren, dasssich die von dem Kafig abgeriebenen Kunststoffpartikel imFett ablagerten und eine zuverlassige Olabscheidung zurSchmierung der Walzkontakte behinderten. Diese Annahmewurde durch den sehr trockenen, mit Partikeln verunreinigtenFettkragen am Lageraußenring sowie auch im Fettring (Bild8) bestatigt.

In der abschließenden Versuchsstufe 3 sollte nach Reini-gung der einzelnen Komponenten (Ringe, Kafig, Kugeln)die Einsatzfahigkeit des Lagers bei erhohter Last (2.000 N)und verringerter Drehzahl (17.000 min-1) uberpruft werden.Den Verlauf der Lagertemperaturen sowie des Drehmomentesdokumentiert Bild 9. Die Temperaturen variierten zwischen64 �C und 71 �C und waren im Vergleich zu Stufe 2 von hau-figen Schwankungen gepragt. Das gemessene Drehmomentdes Antriebs wies ebenfalls eine hohere Streubreite als inder zweiten Versuchsstufe auf. Nach 175 h Laufzeit stabili-

Bild 6. Rampenlauf, 100 h Betriebsdauer, 1 000 N

Figure 6. Ramp form test, 100 h duration, 1 000 N

Bild 7. Dauerversuch, 300 h, 27 000 min-1, 1 000 N

Figure 7. Endurance test, 300 h, 27 000 min-1, 1 000 N

Tabelle 4. Massen der Lagerkomponenten [9]

Table 4. Masses of bearing components [9]

Komponente ungetestet Stufe 1 Stufe 2 Stufe 3

Innenring 162,334 162,335 162,335 162,334

Außenring 220,669 220,670 220,670 220,668

Walzkorper 3,439 3,444 3,444 3,443


sierte sich das Betriebsverhalten des Lagers, sodass die Ziel-laufzeit von 300 h erreicht wurde.

Den Zustand der Laufbahnbeschichtung nach Stufe 3 zei-gen die REM-Aufnahmen in der dritten Zeile in Bild 8. Bei 30facher Vergroßerung ist keine Laufbahnmarkierung sichtbar.Erst in der 200 fachen bzw. 500 fachen Vergroßerung ist dasDrehprofil zu erkennen, auf dessen Spitzen ein geringfugigerAbrieb der Beschichtung auftrat. Des Weiteren wurden Fehl-stellen in der Großenordnung mehrerer Mikrometer detektiert.Diese konnten jedoch nicht eindeutig dem Uberrollvorgangzugeordnet werden, da auch die Laufbahnoberflache im Neu-zustand vergleichbare Schaden aufwies (Zeile 1, Bild 8).

Eine Zusammenstellung der Massen der einzelnen Lager-komponenten nach den Stufen 1 bis 3 zeigt Tabelle 4. Erstnach der letzten Untersuchung bei einer Axiallast von 2000 N war eine geringfugige Massenverringerung von Außen-(15 mg) und Innenring (0,5 mg) messbar.

5 Notlaufeigenschaften

Die Versuchsreihe zur Erprobung der Betriebseigenschafteneines beschichteten Spindellagers ergab eine drastische Beein-flussung des Temperatur- und Reibverhaltens durch den Tribo-kontakt zwischen Kafig und Außenringfuhrungsbord (Bild 7).Bei hochsten Drehzahlen trat starker Verschleiß auf, vermut-

lich ausgelost durch unzureichende Schmierung dieser Gleit-paarung. Zur tiefergehenden Untersuchung dieser Vorgangewurde eine Vergleichsuntersuchung mit einem beschichtetenund einem unbeschichteten Spindellager durchgefuhrt. DieFuhrungsborde dieser Lager waren bis unmittelbar an die Fuh-rungsflache angebohrt, sodass der durch das Anlaufen des Ka-figs verursachte Temperaturanstieg direkt uberwacht werdenkonnte. Die Lager wurden mit einer minimalen Fettmengevon 0,001 g (Standard 5 g) betrieben, um ein Anlaufen des Ka-figs infolge von Mangelschmierung hervorzurufen.

Die Temperaturmessschriebe der beiden Versuchslaufezeigt Bild 10. Das Lager mit der a-C:H:W – Schicht wies einengleichmaßigen, kontinuierlich ansteigenden Temperaturver-lauf auf und erreichte bei einer am Außenring gemessenenTemperatur von 65 �C eine Drehzahl von 22 000 min-1 (Kenn-linie 1). Die Temperatur im Fuhrungsbereich des Kafigs lagca. 5 K hoher. Das unbeschichtete Lager erreichte dagegennur eine Drehzahl von 17 000 min-1 und fiel beim Beschleu-nigen auf 19 000 min-1 durch Uberschreiten der Grenztempe-ratur von 70 �C aus. Der Temperaturanstieg in Abhangigkeitder Drehzahl verlief im Vergleich zu dem beschichteten Lagersteiler, sodass sich bei 15 000 min-1 eine Differenz von ca. 5 Kzwischen den beiden Messungen ausbildete.

Den Kafig sowie die Ringe des beschichteten Spindellagerszeigt Bild 11. Der Kafig wies im Bereich des Fuhrungsbordeseine umlaufende, schwarze Markierung auf, die evtl. auf einenUbertrag des Kohlenstoffes aus der Decklage der Beschich-

Bild 8. Zustand der Beschichtung: un-getestet, nach Stufe 2, nach Stufe 3

Figure 8. Coating condition: initial,after stage 2, after stage 3

Bild 9. Dauerversuch, 300 h, 17 000 min-1, 2 000 N

Figure 9. Endurance test, 300 h, 17 000 min-1, 2 000 N


tung zuruckzufuhren ist. Vermutlich bewirkt dieser Effekteine Reduzierung des Reibkoeffizienten zwischen Kafigund Lagerring, sodass auch bei hohen Drehzahlen kein Anlau-fen auftritt und das Lager auch bei unzureichender Schmie-rung lauffahig ist. Die Beschichtung wies trotz des Trocken-laufes im Bereich der Laufbahnen keine Schaden auf.

6 Zusammenfassung

Die Belastung des Walzkontkontaktes in Verbindung mitunzureichender Schmierung ist in Hauptspindeln uberwie-gend fur den Ausfall der Spindellagersysteme verantwortlich.Zur Steigerung der Leistungsgrenzen und der Zuverlassigkeitwerden in aktuellen Forschungsvorhaben die Reduktion derReibung und des Verschleißes in hochbelasteten tribologi-schen Systemen untersucht.

In dem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft gefor-derten Sonderforschungsbereich 442 wird auf die Entwick-lung umweltvertraglicher Tribosysteme fokussiert. Dazuwird unter anderem die Ubertragung der Additivfunktionder Schmierstoffe auf die Oberflachen der Walzpartner durchBeschichtungssysteme untersucht. Um die Einsatzmoglich-keiten eines Beschichtungssystems im hochbelasteten Walz-kontakt eines Spindellagers zu uberprufen, wurden Vorversu-che an Triboscheiben durchgefuhrt.

In den grundlegenden tribometrischen Untersuchungenkonnte nachgewiesen werden, dass die Beschichtung auchder Belastung hoher Oberflachenpressungen standhaltenkonnte. Nach der Schichtubertragung auf die Spindellagerun-gen der Baugroße 70 konnte in weiteren Versuchen dieSchichthaftung durch verschiedene Belastungskollektive ge-pruft werden. In den vorgestellten Versuchsreihen wurde nach-gewiesen, dass die a-C:H:W – Beschichtung auch bei hochstenDrehzahlen und Laufzeiten von uber 600 h eine zuverlassigeHaftung aufweist. Bis zu einer Oberflachenpressung von 1 600MPa trat in allen durchgefuhrten Versuchsreihen kein Ver-schleiß der Beschichtung auf. Oberhalb 2 000 MPa streutendie Ergebnisse, sodass ohne statistische Absicherung zum jet-zigen Zeitpunkt keine eindeutige Aussage moglich ist.

Des Weiteren konnte nachgewiesen werden, dass die Be-schichtung die Laufbahnen bei Mangelschmierung vor Ver-

schleiß schutzt und somit signifikant die Notlaufeigenschafteneines Spindellagers verbessert.

7 Danksagung:

Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemein-schaft fur die finanzielle Forderung der in diesem Beitrag vor-gestellten Forschungsarbeiten und den beteiligten Institutender RWTH Aachen sowie der Firma CemeCon und Cerobearfur die gute Zusammenarbeit.

8 Literaturverzeichnis:

1. M. Weck, C. Brecher, Werkzeugmaschinen Konstruktion undBerechnung. 8. Auflage, Springer, Berlin, 2006.

2. E. Abele, M. Dervisopoulos, wt werkstattstechnik online 2006,96, 447.

3. N.N., Reparatur-Beispielkunde GMN Workshop 2004.4. Autorenkollektiv: SFB 442 – Umweltvertragliche Tribosysteme

durch geeigenete Werkstoffverbunde und Zwischenstoffe amBeispiel der Werkzeugmaschine. Arbeits- und Ergebnisbericht2. Halbjahr 2004/2005/2006, RWTH Aachen, 2006.

5. C. Brecher, G. Spachtholz, Advanced tribological properties ofcoated high precision spindle bearings. 15th International Collo-quium Tribology - Automotive and Industrial Lubrication, Tech-nische Akademie Esslingen, 2006.

6. C. Brecher, G. Spachtholz, About the advantages of pulsed plas-mas to apply advanced tribological coatings on bearing compo-nents. Proceedings 5th International Conference and EUREKABrokerage Event, Kallithea of Chalkidiki, Greece, 2005.

7. M. Weck, T. Reinartz, G. Spachtholz, wt werkstattstechnik on-line 2003, 93, 506.

8. M. Weck, C. Brecher, Materialwissenschaft und Werkstofftech-nik 2004, 35, No. 10/11, 872.

9. C. Brecher, G. Spachtholz, wt Werkstattstechnik online 2006, 96,495.

Korrespondenzadresse: Gero Gerlach, Werkzeugmaschinenlabor(WZL) RWTH Aachen, Lehrstuhl fur Werkzeugmaschinen,Steinbachstraße 19, 52074 Aachen, E-mail: [email protected]

Eingegangen in endgultiger Form: 28. Januar 2008 T 281

Bild 10. Optimierung der Notlaufeigenschaften beiMangelschmierung

Figure 10. Optimisation of emergency running proper-ties by dry-running operation

Bild 11. Spindellagerkomponentennach Betrieb bei Mangelschmierung

Figure 11. Spindle bearing compo-nents after dry-running operation


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