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Spindelsysteme Fettnachschmierung erhöht Lebensdauer der eingebauten Wälzlager deutlich

| Autor/ Redakteur: Karl Gebert / Dipl.-Ing. (FH) Reinhold Schäfer

Eine verbesserte Schmierung kann bei Spindelsystemen die Lebensdauer der Wälzlager erheblich verlängern und gleichzeitig die Leistungsfähigkeit steigern. Bei der Fettnachschmierung werden Präzisionslager fortlaufend mit minimalen Mengen frischen Schmiermittels versorgt. Dadurch kann die Spindelgenauigkeit wesentlich länger als bei anderen Schmierverfahren erhalten werden.

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Diese Spindel wird durch eine elektronisch gesteuerte Nachschmierung bedarfsgerecht mit Schmierfett versorgt. Bild: Weiss Spindeltechnologie
Diese Spindel wird durch eine elektronisch gesteuerte Nachschmierung bedarfsgerecht mit Schmierfett versorgt. Bild: Weiss Spindeltechnologie
( Archiv: Vogel Business Media )

In den 60er- und 70er-Jahren war es üblich, Wälzlager in Automobilen und Landmaschinen nachzuschmieren. Dazu waren die Systeme mit Schmiernippeln und Kanälen ausgerüstet. Mit Hilfe einer Fettpresse wurde nach einer festgelegten Betriebszeit frisches Fett in die Wälzlager gepresst (Bild 1). Dadurch konnte die Lebensdauer der Lager erheblich gesteigert werden.

Bei Präzisionslagern war dieses Vorgehen verpönt, denn durch das Nachschmieren von der Seite hätte altes, mit Verschleißpartikeln angereichertes Fett zurück ins Lager befördert werden können.

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Darüber hinaus war es so nicht möglich, die Fettmenge exakt zu dosieren. Gelangte zu wenig Fett ins Wälzlager, weil es sich nur an den Stirnseiten der Lagerumbauteile verschmierte, war die Maßnahme nutzlos; zuviel Fett führte hingegen zur Überhitzung und Zerstörung des Lagers.

Der Durchbruch kam 1996, als ein dänischer Maschinenhersteller Bohrspindeln mit SK40-Schnittstelle, 12 000 min-1 und einer Lebensdauer von mindestens 10 000 Betriebsstunden forderte. Mit einer Fettlebensdauerfüllung waren die geforderten Merkmale nicht zu erreichen, und ein Öl/Luft-geschmiertes System schied aufgrund des Maschinenkonzeptes ebenfalls aus.

Nachschmierung der Wälzlager von der Seite nicht möglich

Somit blieb nur die Nachschmierung der Wälzlager, um die begrenzende Gebrauchsdauer zu erhöhen. Ein Nachfetten von der Seite war nicht möglich, weil die vier arbeitsseitigen Schrägkugellager in Tandem-O-Tandem-Anordnung ohne Zwischenringe eingebaut werden mussten.

Die Lösung war das Nachschmieren durch die Wälzlageraußenringe (Bild 2). Dieses Konzept ermöglicht es, Fett direkt in die relevanten Laufbahnbereiche zu befördern und altes, verbrauchtes Fett rechts und links aus den Lagern zu drängen. Die Maßnahme wurde ein voller Erfolg. Selbst nach 15 000 Betriebsstunden erfüllen die Spindeln noch immer die Erwartungen des Kunden hinsichtlich Genauigkeit und Laufruhe.

Lebensdauer-Schmierung wurde zum Serienprodukt

Dieses Prinzip der Fettnachschmierung wurde daraufhin weiterentwickelt und zur Serienreife gebracht. Die heutigen Spindelsysteme mit Fettnachschmierung weisen nach wie vor Wälzlager mit Bohrungen durch den Außenring auf. Zusätzlich sind sie jedoch mit einer umlaufenden Nut und O-Ringen zur Abdichtung im Vergleich zu den Lager-umbauteilen versehen.

Neu ist die Art der Nachschmierung. Bei modernen Spindeln wird das Fett nicht mehr mit Hilfe einer Schraube im Fettkanal ins Lager gedrückt, sondern mit speziell entwickelten Fettnachschmiereinheiten (Bild 3). Diese ermöglichen die exakte Dosierung des Schmiermediums im Bereich von wenigen Kubikmillimetern.

Derart kleine Fettmengen sind erforderlich, um selbst während des Betriebs nachschmieren zu können, ohne dass sich Temperaturerhöhungen einstellen. Angesichts von üblichen Schmierfilmdicken im Bereich von 0,3 bis etwa 2 µm sind diese geringen Fettmengen absolut ausreichend.

Schmierfette erfordern heute viel Know-how

Viel Know-how und Erfahrung sind in die Entwicklung von geeigneten Schmierfetten geflossen. Moderne Fette ermöglichen Drehzahlkennwerte von über 2,2 106 min-1 mm und lassen sich zudem ausgezeichnet fördern. Ein Ausbluten der Fette wird durch einen geänderten Herstellprozess nahezu vollständig unterbunden, selbst wenn diese durch sehr enge Spalte gepresst werden müssen.

Spindeln mit Fettnachschmiersystemen bieten eine Reihe von Vorteilen gegenüber herkömmlichen, fettgeschmierten sowie Öl/Luft-geschmierten Einheiten. So ist es möglich, die Vorteile von Öl/Luft-geschmierten Systemen hinsichtlich Gebrauchsdauer und Drehzahl mit dem unproblematischen, robusten Verhalten der Fettschmierung zu kombinieren. Zudem lassen sich erhebliche Kosten gegenüber Öl/Luft-geschmierten Systemen einsparen.

Fettnachschmierung steigert Lebensdauer einer Spindel um das zwei- bis dreifache

Durch den Einsatz der Fettnachschmierung kann die Lebensdauer einer Spindel, je nach Anwendung, um den Faktor 2 bis 3 gegenüber konventionellen, fettgeschmierten Einheiten gesteigert werden. Weiterhin ist es möglich die Drehzahlkennwerte von Präzisionslagern auf 2,16 106 min-1 mm zu erhöhen. Spindellager der Baureihe 7014 lassen sich somit problemlos bei Drehzahlen bis 24 000 min-1 betreiben.

Auch können die Wälzkontakte durch die regelmäßige Zufuhr von frischem Schmierfett dauerhaft größere Lasten aufnehmen. Dies ermöglicht auch eine Erhöhung der Vorspannung der Spindellager und eine Optimierung der dynamischen Eigenschaften des gesamten Systems.

Spindeln mit Fettnachschmierung sind billiger

Auch die Anschaffungskosten einer Spindel mit Fettnachschmierung sind niedriger als für eine vergleichbare Öl/Luft-geschmierte Einheit, weil die Bauteile einfacher gestaltet werden können. Öl-Ablaufbohrungen und Absaugsysteme werden bei Spindeln mit Fettnachschmierung nicht benötigt.

Bei integrierten Nachschmiersystemen entfallen zudem alle externen Zuleitungen. Darüber hinaus betragen die Kosten für eine Fettnachschmiereinheit nur ein Fünftel der Aufwendungen für ein Öl/Luft-Schmiergerät

Aufwendungen für Druckluft entfallen

Eine weitere Einsparung ergibt sich daraus, dass keine Druckluft benötigt wird. Eine Öl/Luft-geschmierte Spindel braucht 1,5 m3 Druckluft pro Lager und Stunde. Bei einer Spindel mit vier Wälzlagern, einer Betriebsdauer von 4000 Stunden pro Jahr und Druckluftkosten von 6 Cent pro Kubikmeter ergeben sich jährliche Ausgaben von 1400 Euro. Im Dreischichtbetrieb und bei 6000 Betriebsstunden belaufen sich die Kosten für Druckluft gar auf 2100 Euro.

Ein anderer Vorzug liegt in der gesteigerten Zuverlässigkeit. Öl/Luft-geschmierte Präzisionslager reagieren sehr empfindlich auf Störungen der Öl/Luft-Zufuhr. Auch können Schmutzpartikel durch das Öl oder über die Transportluft in die Lager gelangen.

Fettgeschmierte Wälzlager sind sicherer als Öl/Luft-geschmierte

Fettgeschmierte Wälzlager sind dagegen sicherer. Außerdem kann das Schmiermedium nicht verschmutzen, weil es sich in einem abgeschlossenen Behältnis befindet und nicht aufgefüllt werden muss.

Auch eine Verschmutzung der Werkstücke durch Leckageöl kann bei der Fettnachschmierung nicht auftreten. Bei Öl/Luft-geschmierten Spindeln mit Labyrinthen lässt sich eine hundertprozentige Abdichtung im Stillstand nur mit sehr hohem Aufwand gewährleisten.

Verbrauchtes Öl kann aus der Spindel austreten und Werkstücke verunreinigen. Dies ist besonders bei der Bearbeitung von Graphitelektroden, keramischen Werkstoffen und Hölzern, wo Ölspuren unerwünscht sind, von Bedeutung.

Dr. Karl Gebert ist technischer Leiter bei der Weiss Spindeltechnologie GmbH in 97424 Schweinfurt.

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