Die meisten Schäden an der Motorspindel, die einen Ausfall der Werkzeugmaschine verursachen, sind auf die Spindellagerung zurückzuführen. Um die Betriebssicherheit und Lebensdauer bei höchster Performance sicherzustellen, gibt es neue Entwicklungen bei Werkstoffen, Kugellager und Überwachung.

Die Werkzeugmaschinenhersteller fordern weiterhin „höher, schneller, weiter“, was die Performance ihrer Maschinen angeht. Damit stehen die Komponentenlieferanten unter Zugzwang und müssen entsprechend liefern. Sie müssen die Herausforderung meistern, zuverlässige Produkte zu entwickeln, die höheren Geschwindigkeiten und damit höheren Temperaturen standhalten, die dennoch effizient arbeiten und sich wenn möglich gar digital überwachen lassen.

Diesen Herausforderungen hat sich Schaeffler im Vorfeld der EMO Hannover 2017 gestellt. Wie Ralf Moseberg, Leiter Geschäftsbereich Industrial Automation/Lineartechnik, berichtet, war es ein langer Weg, eine Evolution. „Die EMO ist ein ganz entscheidender Meilenstein für uns, an dem wir mit unseren Produkten an die Öffentlichkeit gehen.“

Ein Schwerpunkt der Neuheiten, die Schaeffler auf der Messe präsentieren wird, sorgt dafür, dass die Spindel in der Werkzeugmaschine zuverlässig und möglichst lange in Betrieb ist. Der Wälzlagerspezialist stellt zwar nicht die Spindeln her, doch aktuelle Untersuchungen zeigen, dass 80 % aller ausfallverursachenden Spindelschäden auf die Spindellagerung zurückzuführen sind. Konkret sind die Ausfälle vor allem auf Verschleiß und Kollision zurückzuführen, aber auch auf hohe Temperaturen, Mangelschmierung und Schmutzeintrag. Die Werkzeugmaschinenhersteller hingegen fordern hohe Qualität und gesicherte Produktivität bei möglichst geringen Kosten. Daraus resultieren folgende Anforderungen an die Spindellager:

Für Schaeffler war dies eine Aufforderung, Spindellager für eine höhere Produktivität und verbesserte Total Cost of Ownership (TCO) zu entwickeln.

Schaeffler will die Ausfallzeiten von Werkzeugmaschinen reduzieren

Um die Belastbarkeit der Spindeln zu steigern und deren Gebrauchsdauer signifikant zu verlängern, genügt es nicht, Bestehendes zu optimieren. Stattdessen hat Schaeffler mit Vacrodur einen neuen Wälzlager-Werkstoff entwickelt, der aufgrund eines eigenen Herstellungsverfahrens, spezieller Legierungsbestandteile und einer darauf abgestimmten, mehrstufigen Wärmebehandlung diese Ziele erreicht.

Anders als bei konventionellen Wälzlagerstählen, wie zum Beispiel 100Cr6, sinkt bei Vacrodur die Härte bei Temperaturen über 120 °C nicht, sondern bleibt bis über 400 °C stabil, es tritt keine Gefügeumwandlung auf. Laut Dr. Michael Pausch, Leiter der Produktentwicklung, war das bisher nie möglich. Somit ändern sich sämtliche Werkstoffeigenschaften bei sehr hoher thermischer Belastung nur vernachlässigbar und die Vacrodur-Spindellager sollen daher hoch belastbar und extrem lang maß- und formstabil bleiben.

Vacrodur ist nicht nur temperaturbeständig, sondern auch beständig gegen abrasiven Verschleiß. Verantwortlich dafür ist das homogene Gefüge des Werkstoffs mit einem hohen Anteil an sehr feinen Karbiden. Außerdem erzeugt eine mehrstufige Wärmebehandlung hohe Härtewerte bis zu 66 HRC. Durch diese größere Härte im Vergleich zu anderen Wälzlagerstählen (Cronidur 30 und 100Cr6 jeweils bei etwa 60 HRC) 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, so Pausch.

Aus diesem neuen Werkstoff entstand auch eine neue Spindellagervariante in X-life-Qualität: Während die Kugeln der VCM-Spindellager aus Keramik gefertigt sind, bestehen die Lagerringe aus Vacrodur. Damit sollen sich neue Freiheiten in der Motorspindelkonstruktion ergeben, denn die Lager sind sehr leistungsfähig – auch bei hohen Drehzahlen.

Mehr über einreihige Spindellager von Schaeffler

Durch die Wälzfestigkeit und die Beständigkeit gegen Ermüdung durch Überrollung bei guten Schmierverhältnissen weisen Wälzlager aus Vacrodur eine signifikant höhere Gebrauchsdauer auf. In zertifizierten Versuchen konnte eine 2,4-fach höhere dynamische Tragfähigkeit im Vergleich zum Standard-Wälzlagerstahl 100Cr6 nachgewiesen werden. Dies entspricht einer 13-fachen Verlängerung der nominellen Lagerlebensdauer. Unter Mangelschmierungsbedingungen ergibt sich sogar eine 25-fache Verlängerung. Doch die VCM-Lager sind nur eine Variante der High-Speed-Spindellagerbaureihe in X-life-Qualität, die Schaeffler auf der EMO in Hannover vorstellen wird. Außerdem ist die M-Variante verfügbar, bei der sowohl Kugeln als auch Ringe aus dem bewährten Wälzlagerstahl 100Cr6 gefertigt sind. Diese Variante soll eine leistungsfähige und wirtschaftliche Lagerlösung für Motorspindeln sein. Für mehr Performance steht die HCM-Variante zur Verfügung, die durch hohe Drehzahleignung und Leistungsfähigkeit eine höhere Produktivität ermöglichen soll. Diese Lager sind mit Kugeln aus Keramik bestückt, während die Ringe aus Wälzlagerstahl 100Cr6 bestehen.

Das Wälzlager – Aufbau, Auswahl und Vorteile

Die X-life High-Speed-Spindellager sind für die Maßreihen 70 und 719 und mit einem nominellen Druckwinkel von 17 beziehungsweise 25° lieferbar. Darüber hinaus stehen drei unterschiedliche Vorspannungen zur Auswahl. Wie bei Spindellagern üblich, werden die Lager universal abgepasst geliefert, sodass eine beliebige Anordnung von Einzellagern und Sätzen möglich ist. Die Spindellager können sowohl offen als auch abgedichtet ausgeführt werden. Optional sind sie in Direct-Lube-Ausführung mit Schmierbohrungen und Dichtringen am Außenring lieferbar. Mögliche Bohrungsdurchmesser reichen von 25 bis 130 mm, abgedichtet zunächst von 50 bis 80 mm. In nachfolgenden Releasestufen sind weitere Durchmesserbereiche geplant.

Wie schon erwähnt, treten Spindellagerschäden ebenso durch Kollision, aber auch durch (unentdeckte) Überlastung auf. Beispielsweise können das Spindellager und weitere Komponenten in der Spindel beim Auffahren des Werkzeugs beschädigt werden. Im Fräsbetrieb erzeugt die Kombination von hohen Radiallasten, lang auskragenden Werkzeugen und hohen Drehzahlen speziell am werkzeugnahen Spindellager große Belastungen und ungünstige kinematische Verhältnisse. Im Extremfall kann kurzfristig das Lager ausfallen. Deshalb entwickelten die Schaeffler-Ingenieure ein System mit dem Ziel, Spindelausfälle zu reduzieren: Smart Spindle.

Dazu wird ein Sensorring, der aus dem Sensorbaukasten Variosense aufgebaut ist, vor dem Lager auf die Spindel aufgepresst. Der eingebaute Wirbelstrom-Abstandssensor („FD-Modul“), eine Eigenentwicklung von Schaeffler, misst hierbei die Abstandsveränderungen der Spindelwelle unter Last in fünf Raumrichtungen. Mit dem entsprechenden Wissen über die Lager lassen sich daraus die kinematischen Bedingungen im Spindellager und die betriebsrelevanten Größen wie Pressung, Bohr-Roll-Verhältnis und Käfigtaschenspiel berechnen. Übersteigen die gemessenen Einfederungen an den Wälzkörpern eine spezifische, individuell festgelegte Schwelle, wird vom Sensorring ein elektrisches Warnsignal an die Maschinensteuerung ausgegeben. Der Schwellenwert lässt sich auch für andere Antriebskomponenten individuell festlegen, die eine niedrigere Belastungsgrenze als die Spindel haben und deren Belastung mit der der Spindel korreliert.

Sensorlager als Datensammler wird Standardprodukt

In Crash-Situationen kann somit die Spindel schnell abgeschaltet werden, denn die Sensorik zeigt innerhalb von 2 ms eine Überlastung an. Zudem hat der Maschinenbetreiber mit diesem System die Möglichkeit, ungünstige Betriebsbedingungen – mechanische Überlastungen und auch „langsamen Crash“ – zu erkennen und seinen Bearbeitungsprozess gezielt zu verändern.

Auf der EMO in Hannover wird das System seriennah vorgestellt und erste Baugrößen sollen Kunden zur praktischen Erprobung zur Verfügung stehen. In Zukunft sollen die Daten aus dem Sensormodul in die Lastabschätzung durch ein inverses Bearinx-Modell einfließen, um letztendlich in einem Monitoring-Tool zum Spindelschutz genutzt zu werden. Dietmar Rudy, Leiter Produktentwicklung Industrial Automation, erklärt, dass man sich das zukünftig als „Tankuhr für die Lebensdauer jeder Lagerstelle“ vorstellen kann. Dann wird das System nicht mehr nur lokal an der Maschine eingesetzt, sondern eine Ebene darüber („Virtual Twin“ – eine Ebene im Schaeffler Smart Ecosystem). Digitale Services sollen dort beispielsweise den Fertigungsprozess mithilfe einer möglichst hohen Spindelauslastung optimieren.

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