Es läuft gut…

von Tim Bartl Ressourcenschonung, reduzierte Antriebsleistung, weniger Wärmeentwicklung und letztendlich einen geringeren Leistungsverlust – Lagerstellen werden immer häufiger zu Schlüsselstellen wenn es um die Optimierung der Energieeffizienz in Werkzeugmaschinen geht. Dipl. Ing. Michael Heid, Leiter Anwendungstechnik bei der Schaeffler KG Geschäftsbereich Lineartechnik erklärt, warum es so wichtig ist „die Linearlager als Energiesparer durch Anpassung der Schmiereigenschaften und Dichtungsparameter weiter zu optimieren.“

Eine technische und wirtschaftliche Lösung zur Reduzierung des Schmierstoffverbrauchs in der Lineartechnik ist die neue Schmiermengendosierscheibe SMDS für Rollenumlaufeinheiten der Serie RUE-E. Die Schmiermengendosierscheiben sind Ventile, die zuverlässig das Leerlaufen der Schmierkanäle zwischen den Schmierimpulsen verhindern. Sie dichten die Schmierkanäle ab, wenn kein Schmierimpuls ansteht. Während des Schmierimpulses jedoch stellen die SMDS sicher, dass der Schmierstoff direkt zu den Wälzkörpern und Laufbahnen gelangt. So kann je nach Baugröße bis zu 30 Prozent Schmierstoff gespart werden. „Jede Wälzkörperreihe bekommt die gleiche Menge an Schmierstoff und die Schmierung ist absolut lageunabhängig“, verdeutlicht Michael Heid die Funktion der SMDS. Sie verhindert außerdem Mangelschmierungen und stellt eine Bauraum unabhängige Lösung ohne Mehraufwand dar. Geignet ist sie vor allem für die Hauptachse von Werkzeugmaschinen, insbesondere auch bei 90° Einbaulage. Hier kann es bei herkömmlichen Systemen zu Mangelschmierung der oberen Wälzkörperreihen kommen, da die Schmierkanäle leer laufen und bei der Nachschmierung nicht ausreichend versorgt werden. Schäden an den Laufbahnen und Wälzkörpern bis hin zu einem Totalausfall können durch die SMDS effizient vermieden werden.

Für die Effizienzsteigerung von Systemen und Subsystemen haben neben der Schmierung auch die Gestaltung und Ausführung der Dichtungen eine hohe Bedeutung. Zum einem sorgt eine effektive Abdichtung dafür, dass kein Schmutz ins Lager kommt und der enthaltene und zugeführte Schmierstoff nicht ausgetragen wird. Zum anderem muss versucht werden die Reibverhältnisse so zu optimieren, dass die Verlustleistung gering ausfällt.

Für diese Anforderungen wurde der modularen Baukasten (KIT-Systematik) konzipiert, der dem Anwender die Möglichkeit bietet, sich ein anforderungsgerechtes Dichtungspaket zusammenzustellen.

Das neueste Element des Baukastens ist das KIT220. Diesem Kit liegt ein neuer Werkstoff zugrunde, der den Verschiebewiderstand der Dichtung bei gleicher Dichtwirkung nahezu halbiert. Die Dichtung basiert auf einem sehr weichen Kunststoff, der sich optimal der Schienenkontur anpasst und mit seiner glatten Oberfläche den Reibungskoeffizienten erheblich reduziert. Aufgrund der ‚Weichheit’ des Werkstoffs und zum Schutz vor groben Verschmutzungen wird das KIT220 in Kombination mit einem zusätzlichen Frontblech (mit Spaltdichtung) angeboten und mit Blick auf Spannungsspitzen (Pressungen) die Dichtlippengeometrie optimiert.

Angesichts zunehmender Dynamik und höherer Leistungsdichte in der Werkzeugmaschine spielen die dynamische Steifigkeit und die Reduzierung von Schwingungen eine wichtige Rolle. Gelingt es, die auftretende Schwingungsenergie in eine andere Energieform umzuwandeln, sprich: die resultierenden Schwingungen zu dämpfen, kann der Nutzwert der Maschine entscheidend verbessert werden. Eine hohe Gesamtdämpfung in der Werkzeug-Werkstück-Ebene bedeutet höhere Spanleistungen, längere Werkzeugstandzeiten, bessere Oberflächengüte und hohe Bahngenauigkeiten bei höheren Verfahrgeschwindigkeiten.

In Linearachsen kombiniert die hydrostatische Kompaktführung HLE (Hydrostatische Linear Einheit) die Dämpfungseigenschaften einer Hydrostatik mit der Kompaktheit einer Profilschienenführung. Sie wird dann eingesetzt, wenn hohe Dämpfungseigenschaften notwendig sind und die Dämpfung mit dem Lastangriffspunkt zusammenfallen muss. Dies ist in Anwendungen der Hochleistungszerspanung und insbesondere bei genauen Schleifbearbeitungen der Fall.

Die hydrostatische Kompaktführung der Baugröße 45 (Schienenbreite 45 mm) verfügt über Dämpfungswerte von über 470.000 kg/s. Sie wird bei 100 bar Nenndruck mit einem Öl der Viskositätsklasse ISO VG 46 betrieben. Die Durchflussmenge eines Wagens der Baugröße 45 liegt bei zirka 1,2 Liter pro Minute. Die Zug-/Drucksteifigkeit entspricht nahezu derjenigen einer entsprechenden Wälzlagerung. Der Führungswagen besteht aus dem Stahltragkörper mit den Drucktaschen und zwei Kopfstücken. Auf der Seite der Ölzuführung ist im Kopfstück eine entsprechende Druckregelung integriert. Das zweite Kopfstück dient lediglich der Ölrückführung. Entscheidend für die Leistungsfähigkeit der hydrostatischen Führung sind die Dimensionierung, die Ausführung und die geometrische Anordnung der Druckflächen von Tragkörper und Schiene. Minimale Verformungen, die aus der Druckbeaufschlagung resultieren, werden entsprechend berücksichtigt. So wird eine gleichmäßige Druckverteilung im System sichergestellt. Zur Vermeidung von Crashsituationen sind die Drucktaschen des Tragkörpers mit einem Gleitwerkstoff ausgegossen. Die Notlaufeigenschaften des Gleitbelages gewährleisten, dass auch bei Druckmangel oder gar beim Betreiben ohne Druck das System nicht beschädigt wird. Michael Heid sieht die Vorteile der HLE vor allem in „der höheren dynamischen Steifigkeit durch exzellente Dämpfungseigenschaften und den daraus resultierenden Verbesserung der Bearbeitungsergebnisse bei der Hochleistungszerspanung.“

Für Werkzeugmaschinen von besonderer Relevanz sind darüber hinaus die Themen Betriebssicherheit und Verfügbarkeit. Die INA-Lineartechnik hat daher eine Zustandsüberwachung für wälzgelagerte Linearführungen entwickelt, um eine präventive Instandhaltungsstrategie zu unterstützen. „Über die Kontrolle und Überwachung der Linearführung kann die Produktivität, die Betriebssicherheit, die Verfügbarkeit und eine Reduzierung von Lebenszykluszeiten bei den Werkzeugmaschinen erreicht werden.“, so Michael Heid. Integrierte Sensoren erfassen dabei den Betriebszustand der Linearführung und erkennen frühzeitig Fehler oder Mängel. Bei der Überwachung der Profilschienenführungen der Baureihen RUE-E und KUVE-B wird ein Signal bereitgestellt, das vorbeugend einen Lagerschaden erkennt. Das Signal unterscheidet dabei zwischen den typischen Zustandsmerkmalen der Linearführung Mangelschmierung und Wälz- ermüdung. Das Funktionsprinzip basiert auf speziellen Beschleunigungssensoren, die einen Rückschluss auf den Zustand von Linearlagern erlauben. Die Auswertung erfolgt mittels ‚Pulsenergie’. „Die Pulsenergie ist ein Maß für die Intensität der Energie, die durch sich wiederholende temporäre mechanische Auswirkungen erzeugt wird. Sie dient dazu, Oberflächenfehler in Lagern, Metallkontakten, unzulängliche Lagerschmierung und prozessbezogene Probleme frühzeitig zu erkennen.“ erklärt Michael Heid. Die Messdaten werden von einem Diagnosesystem analysiert und mit Referenzdaten verglichen. Dies erfolgt mit einem speziellen, von Schaeffler entwickelten, Auswertealgorithmus. Zusätzlich wird das Projekt durch Simulationsmodelle unterstützt, die den Umfang der nötigen Sensorik reduzieren und Zustandsprognosen ermöglichen. Nötige Instandhaltungsmaßnahmen können frühzeitig manuell ergriffen oder durch eine Steuerung automatisiert werden. Denkbar ist beispielsweise auch eine computergesteuerte Nachschmierung oder automatische Leistungsreduzierung.

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