Beck Maschinenbau

Führungen und Lagerungen

Zu den wichtigsten Elementen einer Bearbeitungs- oder Messmaschine gehören Führungen zur Bewegung der Vorschub- und Arbeitseinheiten zueinander und Lagerungen der Hauptspindeln und Schwenkachsen.

Hierbei sind folgende Anforderungen besonders herauszustellen:

Um dies zu erreichen, sind gewisse Eigenschaften erforderlich:

Um die gestellten Anforderungen zu erfüllen, kommen verschiedene Wirkprinzipien und Führungsarten zum Einsatz:

Vergleich unterschiedlicher Führungen und Lagerungen

Führung/Lagerung Drehzahl Laufge-
nauigkeit
Dämpfung Seifigkeit Lebens-
dauer
Reibung Verlust-
leistung
Schmier-
aufwand
elektromagnetisch XXXX XXXX XXX XXX XX - XX X
hydrodynamisch XXX XXX XXX XXX XX XXX XXX XX
hydrostatisch XXX XXXX XXX XXXX XXXX XX XXX XXX
aerostatisch XXXX XXXX XX XX XXXX X X -
Wälzlager XXX XXX X XXX XX XX XX X

XXXX = hoch; - = gering

Elektromagnetische Führungen und Lagerungen (Magnetlager)

Bauteile berührungsfrei, stabil und mit hoher Präzision zu lagern, fasziniert und beschäftigt uns schon viele Jahre. In den ersten Jahren wurden vor allem Applikationen auf technischen Spezialgebieten oder in der Forschung verwirklicht. Ziemlich früh wurde diese Art der Lagerung für hochdrehende Gaszentrifugen in der Urananreicherung eingesetzt. Ein praktisches, allgemein bekanntes Beispiel stellen auch Schwebefahrzeuge wie der von Siemens und der ThyssenKrupp entwickelte Transrapid dar.

Für Rotoren werden aktive Magnetlager aufgrund ihrer Eigenschaften vorteilhaft eingesetzt:

Die Umsetzung dieser technologischen Vorteile in ein breites Anwendungsfeld und Systemkomponenten ist noch nicht vollständig abgeschlossen.

Hydrodynamische Gleitführung und Gleitlagerung

Die früher im Werkzeugmaschinenbau am häufigsten eingesetzte Art der Führung war die hydrodynamische Gleitführung. Ein wichtiger Grund hierfür war der im Vergleich zu anderen Führungsprinzipien geringe Herstellaufwand bei ausreichenden Funktionseigenschaften. Wurde anfangs noch mit metallischen Gleitpaarungen gearbeitet, so hat die Entwicklung von Gleitbelägen aus Kunststoff wie z. B. Turcite®; moglice® oder PTFE/Epoxidharz-Verbundgleitbeläge von Fa. Kuhn-Reaktionsharztechnik bezüglich Notlaufeigenschaften und tribologischen Eigenschaften beigetragen. Hauptspindeln mit hydrodynamischen Gleitlagern finden sich auch nur noch selten. In waagrechten Maschinen für die Feinbearbeitung findet man gelegentlich noch hydrodynamische Spindel-Lager-Systeme.

Hydrostatische Gleitführungen und Gleitlagerungen

Die hydrostatische Führung/Lagerung stellt quasi eine Weiterentwicklung der hydrodynamischen dar. Allerdings wird hier der hydrodynamische Effekt zur Erzeugung des tragenden Drucks im Schmierspalt durch das hydrostatische Prinzip ersetzt. Hydrostatische Lager haben bedeutende Vorteile gegenüber den bekannten Wälzlager- und hydrodynamischen Gleitlagerkonstruktionen, weil der Druck zum Trennen der Gleitflächen außerhalb des Lagers/der Führung durch Pumpen erzeugt wird und weil sich überdies die Durchflussmenge so steuern oder regeln lässt, dass die Ölspalthöhe in allen Betriebszuständen nahezu konstant bleibt.

Die Vorzüge des hydrostatischen Schmierprinzips sind seit längerem bekannt. Indes hat erst der Stand der Technik in jüngster Zeit zur Weiterentwicklung dieser Schmiertechnik geführt:

Die immer weiter fortschreitende Verbesserung der Genauigkeit und Leistungsfähigkeit von Maschinen sowie Anlagen und nicht zuletzt die inzwischen erreichte Betriebssicherheit und Sauberkeit von Hydraulikgeräten waren hierfür ausschlaggebend.

Die Vorgänge im Schmierspalt der hydrostatischen Lager und Führungen unter mannigfaltigen Bedingungen wurden in den letzten Jahren theoretisch und auch experimentell recht eingehend untersucht. Anhand dieser Ergebnisse ist die Optimierung bestimmter Eigenschaften rechnerisch sehr genau möglich.

Im Einzelnen ergeben sich bei geeigneter Auslegung folgende vorteilhafte Merkmale:

Bei präzisen kleinen und mittleren, aber vor allem großen Maschinen hat das hydrostatische Prinzip (allein weil keine geschabten Gleitflächen notwendig sind) zu erheblichen Kosteneinsparungen und Qualitätssteigerungen geführt.

Wenn demgegenüber das hydrodynamische Lager ohne Pumpenaggregat auskommt, so liegt dies daran, dass es selbst im Prinzip eine Pumpe beinhaltet. Der tragende Schmierdruck entsteht hydrodynamisch in dem keilförmigen Spalt zwischen den Gleitflächen, indem das Schmiermittel auf Grund seiner Adhäsion und Viskosität durch die Gleitbewegung mitgerissen und in den sich verengenden Spalt gedrückt wird. Dadurch stellt sich ein Schmierspalt ein, bei dem Gleichgewicht zwischen Belastung und Schmierdruck besteht. Eine solche Pumpe müsste als Viskositätspumpe bezeichnet werden, da ihre Wirkungsweise auf der Zähigkeit des Öls beruht. Bei einer vergleichbaren Energiebetrachtung zwischen hydrostatischen und hydrodynamischen Lagern geht man von der Tatsache aus, dass die gesamten Energieverluste im Gleitlager aus der Summe der Pumpenverluste plus innerer Lagerreibungsverluste resultieren:

Es ist leicht einzusehen, dass hydrodynamische Lager, deren sogenannten Viskositätspumpen bestenfalls mit 33 % Wirkungsgrad arbeiten, mit zunehmender Gleitgeschwindigkeit erheblich stärker anwachsende Energieverluste aufweisen. Das hydrodynamische Lager ist bei der Druckerzeugung eben an ein ungünstiges „Pumpensystem” (am Lagerzapfen) gebunden, während für das hydrostatische Lager die besten Pumpensysteme gewählt werden können.

Bei hydrodynamischen Lagern hängt die Druckerzeugung außerdem von Faktoren ab, die sich nicht immer beherrschen lassen; An- und Auslauf sind stets kritische Phasen im Betrieb solcher Lager.

Aerodynamische (gasgeschmierte) Lagerungen

Ein Beispiel für aerodynamische Lager sind Mehrkeilflächenlager. Der Druckaufbau wird hier durch keilförmige Lagersegmente erreicht. Heute häufiger angewendete aerodynamische Lager sind als Federlager ausgeführt. Das Dämpfungsverhalten solcher Lager ist allerdings kritisch.

Ein weiteres Prinzip stellt das Spirallager dar. Spirallager finden in großer Anzahl Anwendung in Festplatten und CD-Playern. In Werkzeugmaschinen finden aerodynamische Spirallager Anwendung in sehr hochtourigen Spindelsystemen für Sonderanwendungen.

Aerostatische (gasgeschmierte) Führungen und Lagerungen

Lager und Führungen, die mit Gasschmierung arbeiten, besitzen das selbe Funktionsprinzip wie flüssigkeitsgeschmierte. Sie unterscheiden sich hauptsächlich durch die Eigenschaften der verwendeten Schmiermittel. Als Wirkmedium für gasgeschmierte Lager wird üblicherweise Luft verwendet. Man bezeichnet sie deshalb auch häufig als Luftlager. Luft hat gegenüber Öl eine um 2 bis 3 Zehnerpotenzen geringere Viskosität. Die Viskosität von Luft ist nahezu unabhängig von der Temperatur. Die geringe Viskosität von Luft setzt einen sehr engen Lagerspalt voraus, um hohe Steifigkeiten und Tragfähigkeiten zu erhalten. Die Reibleistung ist durch die geringen Scherkräfte sehr klein. Bei sehr hohen Relativgeschwindigkeiten kann aber dennoch eine Erwärmung des Lagersystems nicht ausgeschlossen werden.

Übliche Speisedrücke sind 4, max. 10 * 105 Pa. Dadurch sind Luftlagern mit normalen Speisedrücken technische Grenzen bezüglich Tragkraft und Steifigkeit gesetzt. Aerostatische Lager-Systeme finden in Hochpräzisionsmaschinen Anwendung. Weiterhin kommen sie in Spindeln für High Speed Grinding (HSG) und Leiterplatten-Bohrmaschinen zum Einsatz.