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antriebstechnik 8/2017

Antriebstechnik 8/2017

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04 Eigenspannungsveränderung im Einlauf von hartgedrehten 05 Einbringen stabiler Druckeigenspannungen in Wälzlager Wälzlagern durch Hartdrehen und Festwalzen 200 MPa neu 200 MPa Eigenspannung σ umf –200 –400 –600 –800 –1.000 12 Mio. Umdr. 118 Mio. Umdr. 625 Mio. Umdr. –1.200 0 100 200 300 µm 500 Abstand von der Oberfläche Eigenspannung σ umf -200 -400 -600 -800 -1.000 neu 12,5 Mio. Umdr. 29 Mio. Umdr. 378 Mio. Umdr. -1.200 0 100 200 300 µm 500 Abstand von der Oberfläche z Mai/79308 © IFW Mai/86282 © IFW Gegenüber dem Hartdrehen ist die Wirkung des Walzens größer. Demnach sind die resultierenden Eigenspannungen lediglich durch den Walzprozess beeinflusst. Insgesamt lässt sich also durch die Verfahren Hartdrehen und Festwalzen die Oberflächentopografie und das Druckeigenspannungsniveau gezielt beeinflussen. Die Oberflächenqualität wird durch beide Verfahren beeinflusst, die Eigenspannungen hingegen lediglich durch den Walzprozess. Auswirkung der alternativen Fertigung auf die Lebensdauer Für die Untersuchungen im Prüfstand wurden Wälzlager durch Hartdrehen und Hartdrehen mit anschließendem Festwalzen hergestellt. Durch Hartdrehen mit unterschiedlichen Schneidkantenverrundungen und Vorschüben wurden Lagerinnenringe mit variierenden Oberflächenrauheiten hergestellt. Innerhalb der Screening-Untersuchungen sind die Lagerringe mit hohen Rauheitswerten unmittelbar ausgefallen. Dabei handelt es sich bei allen Schadensfällen stets um Oberflächenermüdung (Mikropitting), einige typische Schadensbilder sind in Bild 03 dargestellt. Werden für das Hartdrehen eine Schnittgeschwindigkeit von v c = 200 m/min, ein Vorschub von f = 0,05 mm und ein Werkzeug mit einer Schneidkantenverrundung von r β = 22 µm verwendet, können Oberflächenrauheiten von Ra = 0,12 µm erzeugt werden. Diese Qualität ist ausreichend, um eine Vollschmierung zu gewährleisten und somit die Lager auf klassische Ermüdungslebensdauer (subsurface fatigue) zu testen. Die damit eingebrachten Druckeigenspannungen sind vergleichbar zum Schleifen und Honen und liegen lediglich bis maximal 20 µm in der Tiefe vor. Die maximalen Druckeigenspannungen liegen bei weniger als σ max = – 200 MPa. Bild 04 zeigt die Eigenspannungstiefenverläufe für unterschiedliche Laufzeiten. Die Eigenspannungen haben sich nach 118 Mio. Umdrehungen erhöht, was weiterhin auf ein Vorliegen der Instabilitätsphase hinweist. Grundsätzlich liegt das Niveau der Druckeigenspannungen leicht unter dem Niveau der Referenzlager. Der Grund hierfür ist die Form der Lagerlauffläche. Im Hartdrehprozess wurde ein zylindrisches Profil erstellt, wodurch die maximale Kontaktpressung auf p max = 2 300 MPa reduziert ist. Ein nachgelagertes Festwalzen mit einem Walzdruck von p w = 300 bar und einem HG6-Walzwerkzeug der Firma Ecoroll AG Werkzeugtechnik (Kugeldurchmesser d k = 6,35 mm) führt zu einem Druckeigenspannungsmaximum von σ max = – 950 MPa in einem Abstand von z = 100 µm von der Oberfläche entfernt. Über die Laufzeit der Screening Untersuchungen verbleiben die Druckeigenspannungen auf diesem vergleichbaren Niveau, wie in Bild 05 dargestellt ist. Nach 12,5 Mio. Umdrehungen ist die Tiefenwirkung der Druckeigenspannungen leicht gestiegen. Für eine Laufzeit von 378 Mio. Umdrehungen kommt es im Bereich bis z = 150 µm zu einem leichten Abbau der Eigenspannungen und in größeren Tiefen zu einer Steigerung. Es können demnach durch Festwalzen Eigenspannungen eingebracht werden, welche während der gesamten Laufzeit des Lagers konstant bleiben. Gemäß der oben beschriebenen Theorie ist für diese Lager eine Lebensdauersteigerung zu erwarten. Für die Lebensdaueruntersuchungen muss zunächst die unterschiedliche Pressung aufgrund einer abweichenden Innenringgeometrie berücksichtigt werden. Zur Vereinfachung der Untersuchungen wurde auf die übliche Balligkeit verzichtet. Gegenüber dem Referenzlager ist für die hartgedrehten Lager eine scheinbare, durch die geringere Pressung bedingte, Lebensdauersteigerung um den Faktor 2,8 erreicht worden. Wird die geänderte Pressungsverteilung in der klassischen Lebensdauertheorie berücksichtigt, ergibt sich für das hartgedrehte Lager eine vergleichbare Lebensdauer. Insgesamt kann somit festgehalten werden, dass die Lebensdauer der hartgedrehten Lager mit der Lebensdauer der Referenzlager vergleichbar ist, detailliert diskutiert in [NEUB16]. Für die weitere Betrachtung wird das hartgedrehte Lager als neue Referenz gewertet. Bild 06 zeigt den Vergleich für die hartgedrehten und festgewalzten Lager. Es ist zu erkennen, dass die Lebensdauer 64 antriebstechnik 8/2017

Erlebenswahrscheinlichkeit S WÄLZLAGERTECHNIK der gewalzten Lager um den Faktor 2,5 über der L 10 -Lebensdauer der hartgedrehten Lager liegt. Zusammenfassung und Ausblick Die hier dargestellten Untersuchungen zeigen, dass durch die Wahl eines geeigneten Fertigungsverfahrens und das Berücksichtigen der Oberflächen- und Randzoneneigenschaften die Lebensdauer von Wälzlager signifikant gesteigert werden konnte. Im vorliegenden Fall liegt die Lebensdauersteigerung bei einem Faktor von 2,5. Es wurde ein Lebensdauermodell [NEUB16] kurz beschrieben, welches die vorhandenen Druckeigenspannungen in der Bauteilrandzone im Wälzkontakt berücksichtigt und somit eine gezielte Auslegung von Wälzlagern mit einem reduzierten Materialeinsatz ermöglicht. Darüber hinaus wurde gezeigt, wie sich die Oberflächen- und Randzoneneigenschaften von Standardlagern für einen im Projekt definierten Lastfall im Betrieb eines Wälzlagers ändern. Die Fertigungsverfahren Hartdrehen- und Festwalzen können die Oberflächen- und Randzoneneigenschaften auf eine ähnliche Weise beeinflussen und ermöglichen somit eine Konditionierung der Lager bereits im Fertigungsprozess. Die gefertigten Lager 06 1 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 Gegenüberstellung der Berechnungs- und der Versuchsergebnisse der unterschiedlich gefertigten Lager in Abhängigkeit der äußeren Belastung und des Eigenspannungszustandes [NEU16] gehonte Lager p max = 2,5 GPa hartgedreht p max = 2,3 GPa wurden im Prüfstand eingesetzt und der positive Effekt auf die Lebensdauer nachgewiesen. Eine Übertragung auf andere Belastungen des Lagers wurde im Rahmen des Forschungsprojekts betrachtet. Im Rahmen dieses Beitrags wurde jedoch nicht weiter auf diese Übertragung eingegangen. Im weiteren Verlauf der Forschungsarbeiten erfolgen weitere Lebensdauerversuche zur statistischen Absicherung. Darüber hinaus sind die beiden Fertigungsverfahren Hartdrehen und Festwalzen zwar flexibler als die Standardverfahren Schleifen und Honen. Im weiteren Verlauf der Forschungsarbeiten wird das Fertigungsverfahren Hartdrehwalzen untersucht, um eine Produktivitätssteigerung gegenüber der seriellen Bearbeitung zu erzielen. Dabei handelt es sich um eine hybride Verfahrenskombination aus Hartdrehen und Festwalzen. Der Prozess ist in der Lage, vergleichbare Oberflächen- und Randzoneneigenschaften zu erzielen. Gleichzeitig kann durch eine genauere Abstimmung der beiden Prozesse die Produktivität gegenüber dem klassischen Hartdrehen um 300 % gesteigert werden, ohne die Oberflächenqualität zu reduzieren. Die Auswirkungen dieses Prozesses auf die Lagerlebensdauer sind aktueller Bestandteil der Forschungen. Für den Anwender sind die bisherigen Ergebnisse des Forschungsvorhabens bereits vielfach nutzbar. So kann beispielsweise der Konstrukteur unter Anwendung des Lebensdauermodells die notwendige Lagergröße auslegen, um so entweder eine gesteigerte Einsatzzeit des Systems zu gewährleisten oder die erhöhte Lebensdauer durch einen Downsizing-Ansatz auszugleichen. So wird zwar keine gesteigerte Lebensdauer erreicht, jedoch das Gewicht des gesamten technischen Systems reduziert. a exp . L 10,FE a exp = 0,5 festgewalzt p max = 2,3 GPa 0 -400 MPa -1000 0 100 200 µm 400 0.1 Experimentell ermittelte Lebensdauerverteilungen 0 10 7 10 8 10 9 10 10 10 11 Anzahl Lastzyklen L Literaturverzeichnis: [NEUB16]: Neubauer, T.: Betriebs- und Lebensdauerverhalten hartgedrehter und festgewalzter Zylinderrollenlager. Leibniz Universität Hannover, IMKT. Dr.-Ing. Dissertation, 2015 [IOAN99]: Ioannides, E.; Bergling, G.; Gabelli, A.: An Analytical Formulation for the Life of Rolling Bearings. In: Acta Polytechnica Scandinavica, Mechanical Engineering Series No. 137 (1999) [VOSK96]: Voskamp, A.: Microstructural changes during rolling contact fatigue – metal fatigue in the subsurface region of deep groove ball bearing inner rings, Technische Universität Delft, Thesis, 1996 [DANG89]: Dang Van, K.; Griveau, B.; Message, O.: On a New Mulitiaxial Fatigue Criterion: Theory and Application. In: Mechanical Engineering Publications (1989), S. 479–496 [Hack11]: Hacke, B.; Radnai, B.; Hinkelmann, K.: Berücksichtigung von Betriebszuständen, Sonderereignissen und Überlasten bei der Berechnung der Wälzlager-Lebensdauer in Windenergieanlagen und Großgetrieben. Abschlussbericht FVA Forschungsheft Nr. 967, AiF-Nr. 15227 N, 2011 Danksagung Die Autoren danken der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) für die Förderung der Untersuchungen im Rahmen des Schwerpunktprogramms „Ressourceneffiziente Konstruktionselemente“ (SPP1551). antriebstechnik 8/2017 65

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