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antriebstechnik 8/2017

Antriebstechnik 8/2017

02 Vierlagerprüfstand

02 Vierlagerprüfstand am Institut für Maschinenkonstruktion und Tribologie (IMKT) Das Ziel der durchgeführten Untersuchungen im SPP1551 ist es daher, durch ein geeignetes Einbringen von Druckeigenspannungen in der Fertigung einen stabilen Eigenspannungszustand zu erreichen und so die Lebensdauer von Wälzlagern zu steigern. Zur Erreichung dieses Ziels wird zunächst das Verhalten von Eigenspannungen bei Standardlagern untersucht. Das Einlaufverhalten wird mit Untersuchungen von Hacke verglichen, bei denen durch eine kurzzeitig erhöhte Lagerbelastung Druckeigenspannungen eingebracht wurden. Anschließend werden die alternativen Fertigungsverfahren Hartdrehen und Festwalzen eingesetzt, um gezielt Eigenspannungen durch den Fertigungsprozess einzubringen. Anhand von abschließenden Lebensdaueruntersuchungen werden die hergestellten Wälzlager ebenfalls einer Einlaufanalyse und einem Lebensdauertest unterzogen. Für die Untersuchungen werden Zylinderrollenlager vom Typ NU206 verwendet und auf einem Vierlagerprüfstand am IMKT getestet. Die Lager werden mit einer konstanten Belastung von C/P = 4 beansprucht und im Zustand der Vollschmierung betrieben. Der Prüfstand ist so aufgebaut, dass eine symmetrische Belastung auf alle vier eingebauten Lager aufgebracht wird. Somit können stets vier Lager gleichzeitig geprüft werden. Bild 02 zeigt den Aufbau des Prüfstands. Die Lager werden in zwei Stufen getestet. In der ersten Stufe werden Screening-Untersuchungen durchgeführt, bei denen die Lager für 50 Stunden bzw. 120 Stunden im Prüfstand eingesetzt sind. Nach Ablauf dieser kurzen Prüfzeiten werden die Oberflächen- und Randzonenveränderungen gemessen und das Einlaufverhalten der Lager bewertet. In der zweiten Stufe werden Lebensdauerversuche nach der Sudden-Death-Methode durchgeführt. Die Herstellung der Lager erfolgt durch die Verfahren Hartdrehen und Festwalzen auf einer Hochpräzisionsdrehmaschine Hembrug Microturn 100. Die Verwendung dieser Maschine ermöglicht es, Lager mit einer vergleichbaren Qualität gegenüber den geschliffenen und gehonten Referenzlagern herzustellen. Durch die Verwendung von hydrostatischen Führungen und Lagern und einer Dämpfungseigenschaft ist dieser Maschinentyp für die Hartbearbeitung prädestiniert. Die Oberflächenanalyse erfolgt durch eine taktile Rauheitsmessung nach DIN 4768 mit einer Grenzwellenlänge von λ c = 0,8 mm. Die Messung der Eigenspannungen wird röntgenografisch durchgeführt. Hierzu wird ein Röntgendiffraktometer vom Typ Seifert XRD 3000 P mit einer CrKα-Strahlung verwendet. Die Oberfläche wird durch elektrochemisches Polieren schrittweise abgetragen. Durch die röntgenografische Messung der so entstandenen Oberflächen wird ein Eigenspannungstiefenprofil in Umfangs- und Axialrichtung ermittelt. von p max = 2 500 MPa. Im linken Teil des Bildes sind keine Eigenspannungen in der Bauteilrandzone vorhanden, im rechten Teil des Bildes liegen in der Randzone im Bereich der maximalen Schubspannungen (Abstand von der Oberfläche z = 200 µm) σ = – 800 MPa Druckeigenspannungen vor. Durch die Überlagerung der Lastspannungen und dem hydrostatischen Anteil der Druckeigenspannungen kommt es zu einer Reduktion der resultierenden ermüdungswirksamen Schubspannungen, wie im Bild 01 dargestellt, woraus eine erhöhte Lebensdauer für dieses Lager zu erwarten ist [NEUB16]. Zielsetzung der Untersuchungen und Vorgehensweise Fertigungsverfahren Hartdrehen und Festwalzen Die Verfahren Hartdrehen und Festwalzen sind grundsätzlich bekannte Verfahren mit einem kinematisch vergleichbaren Ablauf. Bei beiden Verfahren wird das Bauteil über die Spindel der Drehmaschine rotiert. Das Werkzeug wird in einer Vorschubbewegung in axialer Richtung zum Bauteil bewegt. Beim Hartdrehen wird das Schneidwerkzeug so weit zugestellt, dass entsprechend ein Span abgenommen wird. Beim Festwalzen wird das Werkzeug, eine Hartstoffkugel, mit bis zu p w = 600 bar Walzdruck auf die Oberfläche gepresst. Die Walzkugel ist dabei hydrostatisch im Werkzeug gelagert und kann somit leichte Formabweichungen ausgleichen. Durch den Drehprozess wird die Oberflächenqualität bestimmt. Diese ist im Wesentlichen beeinflusst durch den Vorschub und die Werkzeuggeometrie. Im Rahmen der Untersuchungen ist der Vorschub und die Schneidkantenmikrogeometrie untersucht worden. Ein erhöhter Vorschub führt aufgrund der kinematischen Eingriffsbedingungen grundsätzlich zu einer gesteigerten Oberflächenrauheit. Im Bereich kleiner Vorschübe kommt es aufgrund einer verschlechterten Spanbildung ebenfalls zu einer erhöhten Rauheit. Die hierfür verantwortliche Mindestspanungsdicke ist maßgeblich durch den Schneidkantenradius beeinflusst. Ein erhöhter Schneidkantenradius führt zu einer Zunahme der Mindestspanungsdicke. Gleichzeitig wird jedoch über den Schneidkantenradius die Eigenspannungsausbildung signifikant beeinflusst. Durch große Verrundungen können auch hohe Druckeigenspannungen erzeugt werden. In Zusammenhang mit der Oberflächenrauheit ergibt sich für Wälzlager hier jedoch ein Zielkonflikt. Die nachgelagerte Bearbeitung durch Festwalzen ist grundsätzlich aufgrund der hohen Materialhärte von 62 HRC auf den Hartdrehprozess abzustimmen. Grundsätzlich führt das Festwalzen zu einer Glättung der Oberflächenrauheitsspitzen. Ist die Oberflächenrauheit durch das Hartdrehen jedoch bereits gering, können durch die Wahl eines zu großen Walzvorschubs neue Formabweichungen in die Oberfläche eingewalzt werden. Der Effekt ist ver- 62 antriebstechnik 8/2017

WÄLZLAGERTECHNIK 03 2,0 [µm] 0,0 Schadensbilder gedrehter Lager mit erhöhten Oberflächenrauheiten, [NEUB16] 2,0 [µm] 0,0 –2,0 0 0,8 1,6 2,4 mm 4 –2,0 0 0,8 1,6 2,4 mm 4 1000 µm Rz = 2,93 µm; Rk = 2,08 µm; Rpk = 0,55 µm 250 µm Rz = 1,66 µm; Rk = 0,98 µm; Rpk = 0,095 µm gleichbar mit dem Rollen eines Gewindes. Die Ausbildung von Druckeigenspannungen entspricht der Wirkung des Hertz´schen Kontaktes. Mit steigendem Walzdruck nimmt die Kontaktpressung zu, womit auch mehr Druckeigenspannungen eingebracht werden. Das Maximum der Druckeigenspannungen liegt beim Walzen von gehärtetem Stahl in der Tiefe. Wie im Hertz´schen Kontakt nimmt die Eindringtiefe und auch die Tiefe der maximalen Druckeigenspannungen mit zunehmendem Walzkugeldurchmesser zu. Entgegen der Oberflächenrauheit existiert für die beiden Prozesse keine Wechselwirkung bei der Beeinflussung der Eigenspannungen. IMPRESSUM erscheint 2017 im 56. Jahrgang, ISSN 0722-8546 Redaktion Chefredakteur: Dipl.-Ing. (FH) Dirk Schaar, Tel.: 06131/992-345, E-Mail: d.schaar@vfmz.de (verantwortlich für den redaktionellen Inhalt) Stv. Chefredakteurin: Dipl.-Ing. (FH) Nicole Steinicke, Tel.: 06131/992-350, E-Mail: n.steinicke@vfmz.de Redakteurinnen: Dipl.-Medienwirtin (FH) Marie Krueger, Tel.: 06131/992-359, E-Mail: m.krueger@vfmz.de, Alexandra Pisek M.A., Tel.: 06131/992-266, E-Mail: a.pisek@vfmz.de Redaktionsassistenz: Angelina Haas, Tel.: 06131/992-361, E-Mail: a.haas@vfmz.de, Gisela Kettenbach, Melanie Lerch, Petra Weidt, Ulla Winter (Redaktionsadresse siehe Verlag) Gestaltung Anette Fröder, Doris Buchenau, Sonja Schirmer, Mario Wüst Chef vom Dienst Dipl.-Ing. (FH) Winfried Bauer Anzeigen Oliver Jennen, Tel.: 06131/992-262, E-Mail: o.jennen@vfmz.de Andreas Zepig, Tel.: 06131/992-206, E-Mail: a.zepig@vfmz.de Annemarie Benthin, Anzeigenverwaltung Tel.: 06131/992-250, E-Mail: a.benthin@vfmz.de Anzeigenpreisliste Nr. 53: gültig ab 1. Oktober 2016 www.vereinigte-fachverlage.info Leserservice vertriebsunion meynen GmbH & Co. KG, Große Hub 10, 65344 Eltville, Tel.: 06123/9238-266 Bitte teilen Sie uns Anschriften- und sonstige Änderungen Ihrer Bezugsdaten schriftlich mit (Fax: 06123/9238-267, E-Mail: vfv@vertriebsunion.de). Preise und Lieferbedingungen: Einzelheftpreis: € 15,50 (zzgl. Versandkosten) Jahresabonnement: Inland: € 153,- (inkl. Versandkosten) Ausland: € 168,- (inkl. Versandkosten) Abonnements verlängern sich automatisch um ein weiteres Jahr, wenn sie nicht spätestens vier Wochen vor Ablauf des Bezugsjahres schriftlich gekündigt werden. 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