"Schmierung ist nicht die drehzahlbegrenzende Komponente"

Spezial Maschinenelemente

Dr. Martin Voll – Die Werkzeugmaschinen weisen immer höhere Drehzahlen auf, die Belastungen für Antriebe, Spindeln und Lager wachsen. Der Leiter Anwendungstechnik Produktionsmaschinen bei Schaeffler erläutert, welche Schmierung für welche Anwendung geeignet ist und was der Maschinenkonstrukteur beachten muss, um den Lagern ein langes Leben zu sichern.

22. August 2017

Herr Dr. Voll, die Maschinen weisen immer höhere Drehzahlen auf, die Anforderungen steigen. Wie sieht das bei den Lagern aus - müssen die dafür auch speziell ausgelegt werden?

Selbstverständlich müssen die Lager dem auch Rechnung tragen. In vielen Fällen sind aber nicht die Lager oder die Schmierung die drehzahlbegrenzende Komponente. Bei Hochgeschwindigkeitsspindeln ist das meist der Motor, also die Bandagen, die die Magnete halten. Und das wird auch die nächsten Jahre so bleiben.

Dennoch entwickeln wir natürlich auch die Lager weiter, und dabei in erster Linie die Geometrie. Man hat einen genormten Bauraum. Bei Schrägkugellagern kann man durch Wälzkörpergröße und durch die Radien der Laufbahnen die grundsätzliche Drehzahleignung beeinflussen. Bei Rundtischlagern ist es z.B. auch die Länge der Wälzkörper, die die grundlegende Drehzahleignung festlegt.

Weiterer Punkt ist die Gestaltung des Käfigs. Bei niedrigen Drehzahlen hat die keinen nennenswerten Einfluss auf die Gesamtreibung. Doch mit den höheren Drehzahlen nimmt dieser Einfluss in Potenzen zu. Eine große Rolle spielt auch die Qualität. Je genauer die Lager gefertigt sind, desto gleichmäßiger ist der Ablauf der Wälzkörper. Und dann kommt noch die Qualität der Oberflächen dazu.

Haben Sie dazu ein konkretes Beispiel?

Natürlich. Wir haben vor zwei Jahren durch Optimierung von Oberflächen und Wärmebehandlung bei den Vorschubspindellagern ZKLN und ZKLF der neuen X-life Generation die Drehzahlen um 60 Prozent erhöht. Die wird zwar von den Maschinenherstellern eigentlich bis heute nicht ausgenutzt, weil die Vorschubgeschwindigkeiten, die real gefahren werden, aufgrund des Bauraums gar nicht so stark steigen, die niedrigere Reibung und Erwärmung führt aber zu einer erhöhten Genauigkeit und Dynamik und besseren Bearbeitungsergebnissen. Die X-life Zylinderrollenlager der Baureihen N10 und NN30 sind mit einem Käfig aus Kunststoff ausgestattet. Durch die geringere Reibung gegenüber Lagern mit Messingkäfigen steigt die Drehzahl um 25 Prozent. Die Lager erreichen höhere Fettgebrauchsdauern und laufen ruhiger.

Es gibt ja fett- und es gibt ölgeschmierte Lager - welche Schmierung bietet welche Vorteile?

In den meisten Anwendungen in Werkzeugmaschinen ist die Fettschmierung Standard. Bei Vorschubspindellagern und Rundtischen wird die Drehzahleignung nicht durch den Schmierstoff begrenzt. Hier wird mit der Fettschmierung einmal geschmiert und wenn das System gegen Einflüsse von außen geschützt ist, hat man eine Minimal-Schmierung mit einem angepassten Schmierstoff, der für die Anwendung optimal ausgelegt ist. Das System hat eine absolut sichere Schmierversorgung ohne laufende Kosten und es können bei der Wartung keine Fehler gemacht werden.

Wie ist das bei der Linearführung?

Auch bei der Linearführung kann mit speziellen Fetten eine maximale Leistung erreicht werden. Das System ist aber schwerer gegen Verschmutzung zu schützen. Deswegen werden hier häufig Fließfette eingesetzt. Die haben aber den Nachteil, dass die konstruktive Leistungsfähigkeit der Linearführung nicht voll genutzt werden kann. Der Vorteil ist aber, dass immer wieder frischer Schmierstoff in die Führung hineinkommt. Und wenn Schmutz in den Wagen reinkommt, wird er mit dem Fett wieder herausgefördert.

Bei extremen Problemen mit Verschmutzung wird meist Ölschmierung eingesetzt. Aber eigentlich ist das der falsche Ansatz, man müsste schauen, dass kein Schmutz in den Wälzkontakt kommt.

Und wie schaut‘s bei den Hauptspindellagern aus?

Da sieht die Welt etwas anders aus. Das Fett ist ja ein Konglomerat aus Seife und Öl und gibt immer so viel Öl ab wie wirklich benötigt wird. Doch wenn man die Drehzahl erhöht, wird auch die Temperatur höher, und irgendwann gibt das Fett auf. Öl ist da noch nicht am Ende. Deshalb wird bei maximalen Drehzahlen mit Ölschmierung gearbeitet. Dann schmiert man aber eigentlich immer mit zu viel Öl. Weil sichergestellt sein muss, dass überall dort, wo welches benötigt wird, auch welches vorhanden ist. Doch durch den stetigen Nachschub an frischem Schmierstoff, kann man höhere Grenzdrehzahlen stabil fahren. Auch bei Anwendungen, bei denen man die Grenzdrehzahlen der Fettschmierung her eigentlich nicht überschreitet aber sehr lange im hohen Drehzahlbereich arbeitet, etwa im Werkzeug und Formenbau, kann es vorteilhaft sein, auf Ölschmierung zu gehen. Das ist dann eine Abwägungssache.

Gibt es Maschinenhersteller, die grundsätzlich nur mit Fett oder Öl schmieren?

Die gibt es. Das hängt zum einen mit der Ingenieurkultur verschiedener Regionen zusammen. So ist beispielsweise in Asien vielfach die Ölschmierung Standard, in Europa die Fettschmierung.

Das hat damit zu tun wie die Maschine temperiert wird und wie die Maschine aufgebaut ist. Es hat auch mit der Entwicklung der Schmierstoffe zu tun, sie war von Europa aus von der Fettschmierung geprägt. In Asien finden Sie Ölschmierung bei Drehzahlen bei denen in Deutschland keiner darüber nachdenken würde.

Unter der Kombination aus Drehzahlen und Belastungen leidet oft die Standzeit der Lager. Lässt sich das durch konstruktive Verbesserungen des Lagerherstellers vermeiden?

Zunächst muss man natürlich die Aggregate und Maschinen auf die geforderten Beanspruchungen auslegen. Wenn zum Beispiel eine Maschine für Zylinderkopfbearbeitung mit wechselnden Drehzahlen und Beanspruchungen gebaut wurde, dann kann man nicht erwarten, dass man mit dieser Maschine in gleicher Art und Weise im Formenbau mit großen Zeitanteilen hoher Drehzahlen arbeiten kann.

Das wäre, als wenn Sie mit einem Personenwagen, der für alltäglich wechselnde Belastungen ausgelegt ist, bei einem Rennen mitfahren. Da macht der eben keine 200.000 Kilometer mit.

Und dann muss natürlich das Lager für diese Anwendung geeignet sein. Entsprechend den Anforderungen kann man unterschiedliche Kompromisse in dem gegebenen Bauraum eingehen, etwa wie groß man die Wälzkörper wählt. Irgendwann ist aber der Punkt erreicht, wo der Anwender auf eine andere Lagerlösung zurückgreifen muss.

Helfen hier andere Werkstoffe weiter, wie etwa Keramik?

Keramik als Werkstoff für Wälzkörper ist schon seit langem bei Hauptspindellagern Standard und setzt sich auch in Vorschubachsen immer mehr durch. Sie wird wahrscheinlich auch bei Rundtisch-Anwendungen kommen. Einfach weil die Adhäsionsneigung nicht da ist und ein Kaltverschweißen im Wälzkontakt damit ausgeschlossen ist.

Der zweite Schalter, an dem noch gedreht werden kann, ist der Werkstoff für den Ring. Denn wenn man das Lager so optimiert, dass die Drehzahleignung, die Reibung und die Einflüsse von Störfaktoren möglichst gering sind, dann verliert man Tragfähigkeit.

Wenn man nun aber einen Werkstoff mit einer höheren Tragfähigkeit hat, kann man all diese Vorteile nutzen und erreicht damit eine deutlich höhere Leistungsfähigkeit. Und das ist nun mit unserem neuen Werkstoff Vacrodur der Fall.

Was ist das Besondere an dem neuen Werkstoff?

Wälzlagerringe aus Vacrodur haben eine sehr hohe Härte und Zähigkeit. Anders als bei konventionellen Wälzlagerstählen, wie etwa 100Cr6, sinkt bei Vacrodur die Härte bei Temperaturen von über 120 Grad Celsius nicht, sondern bleibt bis über 400 Grad Celsius stabil. Bis zu dieser sehr hohen Temperatur tritt keine Gefügeumwandlung auf. Sämtliche Werkstoffeigenschaften ändern sich nur vernachlässigbar. Spindellager aus Vacrodur bleiben daher auch bei sehr hoher thermischer Belastung, wie sie z. B. durch die Abwärme in einer Motorspindel aber auch durch Mangelschmierung entsteht, hoch belastbar und extrem lang maß- und formstabil. In Versuchen unter kontrollierten Verschmutzungsbedingungen konnte im Vergleich zum bisherigen Benchmark eine fast 20-fache Steigerung der Gebrauchsdauer bis zum Lagerausfall realisiert werden.

Und wie sind die Erfahrungen ihrer Pilotkunden?

Bei Pilotkunden testen wir die Vacrodur-Lager bereits seit Monaten unter ausgesucht schweren Bedingungen. Getestet wird beispielsweise in Anwendungen, bei denen viele Frühausfälle zu verzeichnen waren. Beispielsweise weil immer wieder aus bautechnischen Gründen die Schmierung der Lager kurz unterbrochen ist. Das mögen Spindellager normalerweise gar nicht. Wenn das Lager die kleinste Verletzung aufweist, baut sich das sehr schnell zu einem ausgewachsenen Schaden auf. Doch Vacrodur hat sich hier als sehr toleranter Werkstoff erwiesen, der hoch verschleißfest ist.

Kann der Maschinenbetreiber bei Hochgeschwindigkeitsmaschinen davon ausgehen, dass die abgedichteten Lager lebensdauergeschmiert sind? Oder gewinnt hier Nachschmierung wieder mehr an Bedeutung?

Abgedichtete Lager sind normalerweise in Vorschubspindeln und in Hauptspindeln eingebaut, und das in der Regel über die gesamte Maschinenlebensdauer. Bei Vorschubspindeln wird das auch so bleiben. Bei Hauptspindeln kann es durch die hohen Drehzahlen Anwendungen geben, bei denen nachgeschmiert werden muss, weil die Standzeit des Fettes nicht ausreicht, aber auch nicht auf eine Ölschmierung gewechselt werden kann. Etwa weil kein Öl in den Arbeitsraum kommen darf.

Das kann etwa der Fall sein beim Bearbeiten von Graphitelektroden, oder der Bearbeitung von Kniegelenken. Aber da gibt es auch Lösungen zum Nachschmieren von Schaeffler. Dabei geht es um sehr geringe Mengen an Fett, die man da zuführen muss, einige Kubikzentimeter. Und dann hält das auch bei solchen Anwendungen in der Regel mehrere Jahre.

Was sollte der Konstrukteur einer Hochgeschwindigkeits-Werkzeugmaschine hinsichtlich fett- oder ölgeschmierten Lagern beachten?

In jedem Fall müssen die Umgebungsbedingungen und die Schmierung zusammen passen. Bei Fettschmierung muss der Konstrukteur für eine Abdichtung sorgen. Die Lager werden zwar als abgedichtet bezeichnet, sind aber nur gedeckelt, also technisch nicht dicht. Bei Ölschmierung muss der Konstrukteur das Öl richtig zu- und abführen. Bei hohen Drehzahlen ist es günstiger, das Öl durch den Außenring zuzuführen als axial. Wichtig ist auch eine gute Temperierung. Ohne ausreichende Kühlung entstehen im Lager erhöhte Temperaturen und das ist bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen nur begrenzt tolerierbar.

Kennt der Maschinenkonstrukteur diese Problematik?

Ich selbst bin ja zum großen Teil auch beratend tätig und sehe viele ähnliche Probleme bei den Kunden. Die entwickeln bewährte Konzepte weiter und kommen irgendwann mit ihren bisherigen Komponenten in andere Leistungsbereiche. Und auf einmal fallen dann die Lager aus. Da heißt es oft schnell, die taugen nichts. Wenn wir dann die Konstruktion mit dem Kunden durchsprechen, stellt man beispielsweise fest, dass die Wärmeabfuhr nicht ausreichend bedacht wurde oder die Ölabfuhr aufgrund ungünstiger Druckverhältnisse nicht ausreichend funktioniert.

Das führt uns zum Thema Instandhaltung – kann man demnächst von außen den realen Zustand eines Lagers bestimmen?

Das ist unser Ziel. Wir haben bereits erste Produkte, die mit Sensoren ausgestattet sind und direkte Rückmeldungen, etwa in Condition Monitoring-Systeme, geben. Aber das wird man nicht in jedem Anwendungsfall benötigen, denn man kann auch viele Informationen aus anderen Daten ableiten. Wir arbeiten daran, das zu kombinieren und entsprechende Services anzubieten. Der Kunde bekommt, basierend auf der realen Lagerbelastung, von uns eine belastbare Aussage zur realen Lebenserwartung seines Lagers. Die Anwendung sagt dann, auf Basis von Drehzahlen, Belastung und Dauer, die Standzeit des Lagers genau voraus. Man kann diese Information für geplante Instandhaltung nutzen oder auch bei Bedarf die verbleibende Standzeit durch Anpassung der Belastung steuern. Das ist dann wie die Reichweitenangabe im Auto. Da weiß man auch, wenn da noch 90 Kilometer angegeben werden und der Fahrer geht vom Gas, dass er dann noch 150 fahren kann. Wenn er aber Vollgas gibt, kann er eben nur noch 50 Kilometer fahren.

Wird Condition Monitoring an Bedeutung gewinnen?

Definitiv. Hauptspindeln, teilweise auch Vorschubspindeln, sind ausfallkritische Komponenten. Es hilft ungemein, wenn man den aktuellen Zustand und Veränderungen bewerten kann. Durch Industrie 4.0 und die zunehmende Bereitschaft, Maschinen zu vernetzen, können Daten, die irgendwo an der Maschine oder an einem Lager genommen werden, auf einfache Art und Weise zugänglich gemacht werden.

Heute ist Condition Monitoring meist teuer und dennoch sind die Daten oft veraltet. Mit Industrie 4.0 entsteht aber eine Infrastruktur, in der diese gemessenen Betriebs- und Maschinendaten zentral verfügbar sind. Sie sind aktuell und können für Auswertungen einfach genutzt werden. Und dann rechnet sich Condition Monitoring sehr schnell. Deswegen wird es mehr und mehr an Bedeutung gewinnen.

Diese fünf Punkte...

... sollte der Konstrukteur einer Hochgeschwindigkeits-WZM laut Dr. Martin Voll hinsichtlich der Wälzlager unbedingt beachten:

1. Lagerung und Schmierung beanspruchungsgerecht gestalten.

2. Auf gute Abdichtung der Lagerstelle achten.

3. Auf Temperierung achten und hohe Temperaturdifferenzen vermeiden.

4. Schaeffler-Know-how bei der Auslegung nutzen.

5. Und als wichtigster Punkt: Schaeffler-Wälzlager verwenden.

Wie Wälzlager bei Schaeffler hergestellt werden, können Sie auch auf Youtube nachverfolgen unter Eingabe der Such-Stichwörter »X-life: Vom Rohling zum Premium-Produkt«.

Erschienen in Ausgabe: 06/2017