Hartwalzen von Lageringen

Projektlaufzeit: 1.7.2016 bis 30.6.2019

Das Hauptziel des Projektes »Hartwalzen von Lagerringen« ist die Qualifizierung und Implementierung des Verfahrens Hartwalzen in die Prozesskette zur Herstellung von Hybridwälzlagern. Darüber hinaus wird eine allgemeingültige Methodik zur systematischen Implementierung neuer Hochleistungsverfahren im Zuge der operativen Technologieplanung entwickelt und bereitgestellt.

Motivation

Die kritische Komponente im Hinblick auf die Lebensdauer von Hybridlagern stellen die Lagerringe dar. Hierbei sind primär zwei Versagensursachen für eine reduzierte Lebensdauer verantwortlich. Zum einen kommt es infolge von fortlaufenden Schwellbelastungen zu Ermüdungsschäden (z. B. Pittings, Spalling), die zu flächigen Materialabschälungen an der Oberfläche führen und damit einen Ausfall des Wälzlagers zur Folge haben. Zum anderen kommt es aufgrund von Mangelschmierung (z. B. Oil-off Betrieb) zu einer unzureichenden Trennung der Wälzpartner mit der Folge eines stark ansteigenden Verschleißes und zeitnahen Lagerausfalls. Diesen beiden Ausfallmechanismen kann durch eine gezielte Auslegung und Fertigung der oberflächennahen Bauteileigenschaften in der Bauteilrandzone entgegengewirkt und somit eine Verlängerung der Lebensdauer erreicht werden. Dies kann zum einen durch die Einbringung von oberflächennahen Druckeigenspannungen zur Verhinderung der Rissfortpflanzung geschehen. Zum anderen führt eine Reduktion der Oberflächenrauheit zu einer frühen Trennung der Wälzpartner auch bei Mangelschmierung. Bisherige Verfahren, die für die Verbesserung der oberflächennahen Bauteileigenschaften eingesetzt werden (z. B. Nitrieren, Honen oder Elektropolieren), sind sehr zeit- und kostenintensiv und es bedarf teilweise mehrerer Prozessschritte zur Randzonenbearbeitung von Lagerringen. Ein Hochleistungsverfahren, das eine positive Beeinflussung sowohl der Oberflächenrauheit als auch des Eigenspannungszustandes grundsätzlich ermöglicht und hinsichtlich der Wirtschaftlichkeit, Produktivität und Ressourceneffizienz deutliche Vorteile bietet, ist das Hartwalzen. Die Vorteile ergeben sich aus kurzen Bearbeitungszeiten, einem vergleichsweise niedrigen Energiebedarf sowie geringen Investitionskosten für Hartwalzmaschinen.

© Foto Cerobear GmbH

Das Hartwalzen findet aktuell jedoch keine Anwendung in der Wälzlagerindustrie. Dies ist insbesondere auf fehlende Werkzeugkonzepte, die den Anforderungen für die Fertigung von Lagerringen genügen, zurückzuführen. Zu diesen Anforderungen zählen u.a. die Gewährleistung der Zugänglichkeit bei der Innenbearbeitung von Außenringen und die Umsetzung einer belastungsgerechten Lagerung des Walzkörpers der Hartwalzwerkzeuge.

Aufgaben und Vorgehensweise

Neben der Konsortialführung durch das Fraunhofer IPT, ist Gegenstand des Teilprojektes die Entwicklung eines hierarchischen Zielsystems zur systematischen Berücksichtigung der Anforderungen aller Beteiligten entlang der Wertschöpfungskette.

Die umfassendste Aufgabe des Teilprojekts liegt hingegen in der Entwicklung einer allgemeingültigen Methodik zur Implementierung neuer Hochleistungsverfahren im Zuge der operativen Technologieplanung. Diese soll es zukünftig Dritten ermöglichen, neue Fertigungsverfahren in bestehende Prozessketten systematisch zu implementieren.

Geplante Innovationen im Projekt

Die Innovation des Vorhabens besteht in der erstmaligen Implementierung des Hochleistungsverfahrens Hartwalzen in der Wälzlagerindustrie. Dies soll durch die Entwicklung eines auf die Anforderungen der Wälzlagerfertigung zugeschnittenen Werkzeugs sowie mithilfe eines systematischen Vorgehens zur Auslegung des Hochleistungsverfahrens ermöglicht werden. Aufgrund der speziellen Anforderungen für das Walzen von Lagerringen ist ein neues und auf den vorliegenden Belastungsfall zugeschnittenes Lagerungskonzept des Walzkörpers erforderlich, wie es am Markt aktuell nicht erhältlich ist.

Auf Basis der in den einzelnen Arbeitspaketen erlangten Erkenntnisse erfolgt die Entwicklung einer allgemeingültigen Methodik zur Implementierung neuer Hochleistungsverfahren in anderen Anwendungsfällen. Eine solche Methodik, die insbesondere kleine und mittelständische Unternehmen bei der Implementierung neuer Verfahren unterstützen soll, ist aktuell noch nicht vorhanden. Der besonders innovative Charakter der Methodik resultiert aus der Berücksichtigung der Fertigungshistorie und somit einer verfahrensüber-greifenden Betrachtung bei der Implementierung. Hierdurch wird eine deutliche Erhöhung der Leistungsfähigkeit und Gebrauchsdauer gegenüber bisherigen Lagerlösungen erwartet.

Beteiligte Partner

  • Cerobear GmbH
  • Fraunhofer Institut für Produktionstechnologie IPT
  • Hegenscheidt-MFD GmbH
  • Schmitz Metallographie GmbH

Projektträger

Projektträger Jülich│ Forschungszentrum Jülich GmbH