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Innovative Lösungen für das Schleifen von Wälzlagern

Grinding of rolling elements of bearings

Wälzlager sind ein integraler Bestandteil vieler Anwendungen. Zur Herstellung von Wälzlager sind wir auf Präzisionsschleifmittel angewiesen um sicherzustellen, dass die höchsten Standards der jeweiligen Branchen beim Einsatz dieser Lager erfüllt werden. Schleifmittel bestimmen die Endqualität der einzelnen Lagerelemente und können auch einen erheblichen Einfluss auf die Effizienz der Schleifprozesse haben. Wird beim Schleifen ein ungeeignetes Schleifmittel gewählt, wird unter Umständen viel Geld und Zeit verschwendet. Darüber hinaus können diese geschliffenen Wälzlager anschließend im Einsatz Qualitätsdefizite aufweisen.

In diesem Artikel werden geeignete Lösungen zur Schleifbearbeitung von Wälzkörper eines Wälzlagers dargestellt. Diese Lösungen ermöglichen optimale Schleifergebnisse und höhere Standzeiten der Schleifwerkzeuge.


1. Werkstoffauswahl für Wälzkörper

Wälzlager bestehen aus dem Außenring, einem Innenring und einem Käfig. Dazu kommen die Wälzkörper (Kugeln oder Rollen) dieser Lager. Werkstoffe, die bei der Herstellung dieser Elemente verwendet werden, können je nach Anwendung unterschiedlich sein. Es gibt allgemeine Anforderungen für den Einsatz dieser Werkstoffe, die immer erfüllt werden müssen. Die Kontaktflächen der Laufbahnen der Lager und der Wälzkörper sind starken und wiederholten Belastungen ausgesetzt. Daher müssen diese Flächen hohe Präzision- und Rundlaufgenauigkeit aufweisen. Um dieses zu erreichen sind Werkstoffe mit hoher Härte und Formbeständigkeit auszuwählen. Diese Werkstoffe müssen auch gegen Ermüdung, Korrosion und Verschleiß beständig sein [1].

Der meist verwendete Werkstoff, der alle diese Anforderungen erfüllt, ist der Chromstahl 100Cr6. Dieser Wälzlagerstahl wird in einer Vielzahl von Anwendungen z. B. in der Automobilindustrie, in elektrischen Geräten wie Motoren für Waschmaschinen, in Computern mit sehr kleinen Lagern und in Windkraftanlagen mit großen Lagern mit einem Durchmesser von bis zu 3,5 Metern, eingesetzt. Von seiner chemischen Zusammensetzung besteht 100Cr6 aus einem hohen Kohlenstoffanteil und einen Chromgehalt von ca. 1,5 % und zeichnet sich durch eine gleichbleibend hohe Härte über Umfang und Querschnitt aus. 100Cr6 kann auch auf 64 HRC gehärtet werden, was seine Leistungsfähigkeit weiter steigert.

In Flugzeugtriebwerken sind Lager darüber hinaus sehr hohen Temperaturen und Drehzahlen ausgesetzt. Diese Anforderungen führten zur Entwicklung von Stahlsorten wie M50NiL. Die Oberfläche dieses Stahls ist auf bis 70 HRC gehärtet und hat eine hohe Temperaturfestigkeit von +350°C bis +400°C sowie sehr hohe Druckeigenspannungen, um diesen extremen Anforderungen standzuhalten.

Die Wälzkörper einiger Lager können aus Keramikwerkstoffen wie Siliziumnitrid (Si3N4) hergestellt werden, jedoch sind die Lagerringe normalerweise auf Stahlbasis hergestellt. Keramiken haben eine hohe Härte, sind nicht magnetisch, bieten eine ausgezeichnete Korrosions- und Medienbeständigkeit. Diese Lagertypen werden in der Lebensmittelindustrie und als Teil von Spindeln verwendet, da Keramik bei extremen Temperaturen und hohen Belastungen eingesetzt werden kann. Keramiklager korrodieren nicht, wenn sie Wasser, Alkali oder Säuren ausgesetzt werden, was bei der Lebensmittelzubereitung vorkommt. Bei Spindeln sind sehr hohe Drehzahlkapazität und hohe Verschleißfestigkeiten erforderlich. Keramik ist für diese Anwendung gut geeignet. Lager aus Keramik sind belastbar bei hohen Drehzahlen, Verschleißfest und nichtleitend [2].

Aufgrund der oben dargestellten Eigenschaften dieser Werkstoffe müssen beim Schleifen härtere und verschleißfestere Schleifscheiben zur Fertigung dieser Wälzkörper eingesetzt werden. 


2. Schleifwerkzeuge für Wälzkörper von Wälzlagern

Aufgrund der unterschiedlichen Bauformen der Wälzkörper wie z. B. Kugeln, Zylinder-, Kegel- oder Tonnenrollen variieren auch die Herstellverfahren. In Abbildung (1) werden die unterschiedlichen Formen von Wälzkörper dargestellt. 

Unterschiedliche Bauformen von Wälzkörpern:

bauformen Abbildung (1): Unterschiedliche Formen von Wälzkörpern

2.1 Bearbeitung von kugelförmigen Wälzkörpern

Beim Schleifen von Kugeln werden diese auf einer Gusseisenplatte mit Nuten parallel zur Schleifscheibe platziert. Zum Schleifen der Kugeln können sowohl keramisch gebundene als auch kunstharzgebundene Schleifscheiben eingesetzt werden. Aufgrund der sehr niedrigen Drehgeschwindigkeit der Maschinen müssen die Schleifscheiben sehr hart und verschleißfest ausgelegt werden. Der Prozess erfolgt über mehrere Stufen, die sich in zwei übergreifende Phasen gliedern lassen. Das Schrupp- und Schlichtschleifen oder Läppen.

2.1.1 Schruppschleifen

Für das Schruppschleifen werden in der Regel Schleifscheiben mit Siliziumkarbidkörnern und keramischen Bindungen verwendet. Diese Körner sind brüchig und hart, was zu einer hervorragenden Schneidwirkung und damit zu höheren Abtragsraten führt. Die keramische Bindung sorgt für eine hohe Leistung und eine lange Lebensdauer der Scheiben bei Prozessen dieser Art.

Abhängig bei der Kugelgröße variieren die Korngröße, der Härtegrad und die Struktur der Schleifscheiben. Beispielsweise werden für kleine Kugeln (4-9 mm) Korngrößen zwischen 200 und 280 (FEPA-F) empfohlen, während sich für große Kugeln (60-80 mm) Korngrößen zwischen 120 und 150 (FEBA-F) besser eignen. Die folgende Abbildung (2) zeigt die von Norton empfohlenen Spezifikationen für verschiedene Kugelgrößen. 

kugelgroessen Abbildung (2): Verfügbare Spezifikationen für verschiedene Kugelgrößen

2.1.2 Schlichtschleifen

Das Schlichtschleifen folgt dem Schruppschleifen und ist ihm ähnlich, jedoch werden hier Scheiben mit feinerem Korn und Kunstharzbindung eingesetzt. In dieser Phase wird des Herstellungsprozesses wird nach und nach eine immer feinere Oberflächengüte durch den Einsatz von immer feineren Korngrößen von 400 mesh bis 2.000 mesh erreicht. Konventionelle Schleifmittel mit Edelkorund-Korn und Kunstharzbindung sind geeignete Schleifmittel für das Schlichten von kugelförmigen Wälzkörpern. Das Korundkorn ist sehr brüchig und die Konsistenz der Kunstharzbindung ist ausgezeichnet. Beides ermöglicht hohe Standzeiten beim Schleifen.

2.2) Bearbeitung von Kegel-, Zylinder- und Tonnenrollen Wälzkörpern

Die Bearbeitung von Kegel-, Zylinder- und Kugelrollen unterteilt sich in das Schleifen des Umfangs dieser Wälzkörper und in das Schleifen der Stirnseiten.

2.2.1 Bearbeitung des Umfangs (Außendurchmessers)

Der Außendurchmesser von Kegel- und Zylinderrollen wird im Spitzenlosen-Durchlaufverfahren geschliffen, bei dem keine Spanndorne oder Vorrichtungen zur Befestigung des Werkstücks vorhanden sind. Kunstharzgebundene Schleifscheiben mit einem Sinterkorund-Korn wie Norton Quantum-Korn sind dafür bestens geeignet. Das Sinterkorund-Korn wurde in den 1980er Jahren entwickelt, um die Schneidwirkung an der Schnittstelle zwischen Korn und Werkstück effizienter zu gestalten*. Norton Quantum ist die neueste Entwicklung in dieser Technologie. Die Herstellung erfolgt ohne jeglichen Zusatz von Seltenen Erden. Diese Technologie ermöglich einen Mikrobruch des Korns und somit die Reduzierung der Schwellenleistung.

Eine weitere Möglichkeit diese Wälzkörper zu bearbeiten ist, das Spitzenlos-Durchlaufschleifen mit Norton Vortex-Technologie Schleifscheiben. Diese Technologie wurde im Jahr 2004 patentiert. Norton Vortex-Technologie steuert die Scheibenstruktur und ermöglicht ein hochporöses Schleifwerkzeug mit einem sehr hohen Schleifkornabstand herzustellen. Dies bietet eine ganze Reihe von Produktionsvorteilen, darunter hohe Abtragsraten, verbesserte Formhaltigkeit der Werkzeuge, längere Standzeiten und ein stark reduziertes Risiko von metallurgischen Schäden am Bauteil. Mit dieser Technologie wird ein optimaler Kornabstand erreicht, ohne dass ein künstlicher Porenbildner benötigt wird.

Durch den Einsatz der Vortex-Technologie beim spitzenlosen Schruppschleifen von Kegelrollen kann die Produktivität um 22 % gesteigert werden, ohne dass die Oberflächenqualität darunter leidet, wie in Abbildung (3) zu sehen ist. 

 

optimierung schleifergebnisse

Abbildung (3): Produktivität und Oberflächenqualität für die Vortex-Technologie im Vergleich zum Wettbewerb. 

 

Die Bearbeitung von Tonnenrollen Wälzkörper erfolgt über einem Außenrund-Schleifverfahren. Für diese Anwendung sind Norton Quantum-Körner mit einem neu entwickelten Bindungssystem namens VS3 besonders effektiv. Zum einen sorgt diese neue Entwicklung für einen kühleren Schliff wodurch die Möglichkeit der Randzonen Beschädigung durch Brand reduziert, die Schneidleistung und die Schnittgeschwindigkeit erhöht werden können. Zum anderen können die Bearbeitungszeiten reduziert und den Durchsatz sowie die Produktivität erhöht werden. Mit dieser neuen Entwicklung wird es möglich, bestehende Anlagen optimaler zu nutzen und die Maschinenfrequenz zu optimieren um Engpässe zu vermeiden.

Einen positiven Einfluss bei dem Einsatz dieser Werkzeuge auf die Kosten ist die deutlich verbesserte Profilhaltigkeit. Beim Schleifen der Tonnenrollen kann eine höhere Radiusgenauigkeit erreicht werden wodurch der Abrichtzyklus erhöht und die Lebensdauer der Scheiben verlängert werden. Dieses führt ebenfalls zu Produktivität Steigerungen und zur Senkung der Kosten pro gefertigtes Bauteil.

2.2.2 Bearbeitung der Stirnseite

Bei Zylinder- Tonnenrollen Wälzkörpern erfolgt die Bearbeitung der Stirnseite im Doppelseitenplanschleifverfahren. Die Fläche der Stirnseite muss geschliffen werden, um eine hohe Parallelität und die erforderliche Oberflächengüte zu erreichen. Durch den Einsatz von Schleifscheiben mit Norton Quantum-Körnern und einen kunstharzgebundenen B98-Bindung im Doppelseitenplanschleifverfahren konnten hervorragende Ergebnisse erzielt werden. Die Sinterkorund-Hochleistungsschleifkörner sorgen für eine Erhöhung der Schneidfähigkeit der Scheibe, während durch die neu entwickelte Bindung das G-Verhältnis erhöht wurde, verbunden mit einer höheren Abtragsleistung und einem geringeren Verschleiß der Schleifscheiben.

Die Endbearbeitung der Stirnseite von Kegelrollen-Stirnseiten wird auf speziellen Maschinen und mit Topfscheiben durchgeführt. Schleifscheiben aus Edelkorund Korn mit Kunstharzbindung sind dafür gut geeignet. Diese Topfscheiben werden in 2 Zonen aufgeteilt. Die innere Zone wird für die Schruppbearbeitung und die äußere Zone für die Schlichtbearbeitung verwendet. Die Korngröße für die Schruppbearbeitung liegt bei 180 mesh (FEBA-F) und für und für die Schlichtbearbeitung bei 500 mesh (FEBA-F). 

2.2.3 Superfinishing – Feinstbearbeitung des Umfangs (Außendurchmessers)

Um die erforderlichen Form und Oberflächeneigenschaften der Wälzkörper zu erreichen muss am Ende des Fertigungsprozesses eine Feinstbearbeitung, das Superfinishing, stattfinden. Bei der Fertigung von Zylinder- und Kegelrollen kommt in der Regel das Spitzenlos-Durchlaufverfahren zum Einsatz. Zwei Führungsrollen (Metallwalzen) rotieren um eine fixierte Achse in gleicher Richtung. Die Wälzkörper bewegen sich entlang der Achse und drehen sich durch die Antriebskraft der beiden Führungsrollen. Eine Reihe von Honsteine (Stationen) drückt auf die zu bearbeitenden Wälzkörper mit einer oszillierenden Bewegung entlang der axialen Achse hin und her. Die Rotation der Werkstücke, der Druck der Honsteine und die oszillierende Bewegung ermöglichen den Materialabtrag und das Erzeugen der endgültigen Oberflächenanforderungen. Die Anzahl der Honsteine variiert zwischen vier und zwölf.

Für die ersten Stationen werden Honsteine gewählt, die hohe Abtragsraten ermöglichen. Edelkorund Korn (600 Mesh) ist eine gute Wahl für die erste Station, während grünes Siliziumkarbid (1000 mesh) für die nachfolgenden Stationen besser geeignet ist. Alle Honsteine mit keramischer Bindung sind für diese Anwendung empfehlenswert. Die letzte Station ist eine Polierstation zum Erzielen von polierten und hochglänzenden Oberflächen. In dieser Station ist ein feinkörniger Honstein mit Kunstharzbindung empfehlenswert um das gewünschte Ergebnis zu erzielen. 

Bei der Feinstbearbeitung von Tonnenrollen Wälzkörper oszillieren die Honsteine während das Werkstück rotiert aber auch fixiert ist. Diese Feinstbearbeitung findet in mehreren Stufen statt. Für diese Prozesse werden generell Honsteine aus Edelkorund empfohlen. Für die Grobstufe (höherer Materialabtrag) werden je nach Durchmesser der Wälzkörper Korngrößen von 400 mesh bis 800 mesh empfohlen. Je größer der Wälzkörper, desto gröber die Korngröße. Korngröße von 400 mesh ist für die Bearbeitung von Tonnenrollen mit 100 mm Durchmesser geeignet. Bei kleineren Tonnenrollen kommen feinere Körnungen zum Einsatz. Für die abschließende Feinstufe werden Korngrößen von 1000 mesh eingesetzt. 


3. Eine EVOlution bei den Mikroschleifmittelbereich

Bei Saint-Gobain Abrasives steht Innovation stets im Mittelpunkt unserer Aktivitäten. Im Jahr 2016 stellte das Unternehmen eine "EVOlution" im Bereich Mikroschleifstein für Läpparbeiten vor. Entwickelt wurden diese innovativen Werkzeuge für den Wälzlagermarkt. Diese Werkzeuge ermöglichen die hochpräzise Feinstbearbeitung (Superfinishing) effizienter zu gestalten,  indem die Oberflächengüte reduziert, die Formfehler am Werkstück behoben werden.

Die neue EVO-Honsteinreihe wird nach einem innovativen Verfahren hergestellt. Das Verfahren gewährleistet eine homogene Verteilung von Bindung und Korn über jeden Millimeter des Produkts. Die gleichmäßige Mikrostruktur reduziert die unregelmäßige Makroporosität zwischen Schleifmittel und Bindung und sorgt für eine verbesserte gleichmäßige Verteilung der Mikroporosität im Inneren der Honsteine. Die verbesserte Bindung/Kornhaftung führt zu längeren Standzeiten, optimiertem Selbstschärfverhalten und mehr Formstabilität. EVO bietet eine überragende Werkstückqualität und Zuverlässigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Honsteinen. Insgesamt sind niedrigere Prozesskosten und äußerst wirtschaftlichen Lösung möglich. 

evo-technologie Abbildung (4): Herkömmliche Technologie im Vgl. zur neuen EVO-Technologie

Aus dem Beitrag wird deutlich, wie wichtig es ist für die einzelnen Bearbeitungsprozesse bei der Herstellung von insbesondere Wälzkörper das richtige Schleifmittel einzusetzen. Eine geeignete Auswahl an Werkzeugen ermöglicht optimierte Leistungen verbunden mit einem wirtschaftlichen Betrieb dieser Werkzeuge zu erreichen. Reduzierung des Verschleißes und somit höhere Werkzeugstandzeit sind möglich. Für weitere Informationen über geeignete Schleifmittel für Wälzlager können Sie sich unseren Wälzlager-Flyer herunterladen.
 

Raid Al-Rawi, Norton Abrasives

M.Sc. Raid Al-Rawi

Anwendungstechniker für Lager & Zahnräder

Saint Gobain Abrasives

*[SGP] Seed Gel SG Patent für Schleifmittel und Verfahren zu dessen Herstellung, Patent US4623364, 19. Oktober 1984, Norton Company


Quellenangaben

[1] http://www.phase-trans.msm.cam.ac.uk/2011/Bearings/index.html

[2] http://cdn.intechopen.com/pdfs/18283/InTech-The_rationale_for_silicon_nitride_bearings_in_orthopaedic_applications.pdf