Mehr Leistung für die Spindel

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Werkzeugmaschinenlabor WZL RWTH Aachen

Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen

Am WZL wird daher zurzeit in zwei Projekten an schnell drehenden Kegelrollenlagern für den Hauptspindeleinsatz gearbeitet: Im Rahmen des DFG-Projekts „Untersuchung und Beschreibung des Betriebsverhaltens von Kugelrollenlagern bei hohen Drehzahlen“ (BR 2905/56-1) werden theoretische und experimentelle Grundlagen zum Verständnis des Betriebsverhaltens von Kegelrollenlagern bei hohen Drehzahlen geschaffen. In experimentellen Arbeiten werden die Einsatzgrenzen und spindelrelevante Kenngrößen von Kegelrollenlagern untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass Standard-Kegelrollenlager der Baureihe 32014 unter hauptspindelüblichen Schmierbedingungen nicht reproduzierbar zuverlässig deutlich über ihrer Katalogdrehzahl von etwa 6.000 min^-1 betrieben werden können.

Hochdrehzahl-Kegelrollenlager beweist sich in ersten Versuchen

Im Rahmen des Arbeitskreises wurde daher in Zusammenarbeit mit der Firma Cerobear, Herzogenrath, ein Hochdrehzahl-Kegelrollenlager entwickelt [1] (Bild 2). Die Maßnahmen zur Drehzahlsteigerung wurden von Spindellagern abgeleitet: Zur Reduzierung der drehzahlbedingten Massenkräfte und der Reibung in den Wälzkontakten kommen keramische (Si₃N₄) Wälzkörper zum Einsatz. Der Käfig ist auf Außenringführung ausgelegt und als massives Bauteil aus PEEK gefertigt.

Ein wesentliches Unterscheidungsmerkmal gegenüber Standard-Kegelrollenlagern ist der Außenring mit Bord in einteiliger Bauweise. Neben der besseren Wärmeabfuhr aus den kritischen Wälzkörper-Bord-Kontakten ist es so möglich, diesen Kontakten durch eine Ringnut und Bohrungen im Bord Schmierstoff zuzuführen, ohne diesen durch die Welle leiten zu müssen. Im Vergleich zu ähnlichen Kegelrollenlager-Konzepten mit Außenringbord in zweiteiliger Ausführung ermöglicht die einteilige Bauweise des Außenrings eine höhere Lagegenauigkeit des Bords gegenüber der Laufbahn, was das Betriebsverhalten des Lagers positiv beeinflusst.

Steifigkeit der Kegelrollenlager als Vorteil gegenüber Spindellagern

Mit diesem Lager, das in seinen äußeren Abmessungen einem Kegelrollenlager der Baugröße 33014 entspricht, konnten in ersten Versuchen Drehzahlkennwerte von 1,26 · 10⁶ mm/min (≙ n=14.000 min^-1) erreicht werden (Bild 3). Berechnungen mit einer im Rahmen des DFG-Projekts entwickelten Software zeigen, dass die Steifigkeit dieses Lagers kegelrollenlagertypisch drehzahlunabhängig ist, was neben der generell höheren Steifigkeit einen weiteren Vorteil gegenüber Spindellagern darstellt.

Die Schwerpunkte weiterer experimenteller Untersuchungen an diesem Prototypen sollen auf dem Betriebsverhalten unter hohen Lasten sowie dem last-, drehzahl- und temperaturbedingten Verlagerungsverhalten liegen. Im Rahmen des DFG-Projekts sollen die dort gewonnenen theoretischen Erkenntnisse durch die Entwicklung und Erprobung eines weiteren Prototypen abgesichert und vertieft werden. Vor dem Praxiseinsatz solcher Lager müssen jedoch noch weitere Aspekte wie etwa das Wälzkörperschränken, das Verhalten unter Radiallast oder der Dauerbetrieb untersucht werden.

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