DE3838786A1

DE3838786A1 - Verfahren und einrichtung zur gezielten schmierung von reibstellenpaarungen

Info

Publication number: DE3838786A1
Application number: DE3838786A
Authority: DE
Inventors: Franz Dipl Ing Scharnweber; Karl-Heinz Dipl Ing Glaesser; Karl Dipl Ing Wuensch
Original assignee: Werkzeugmaschinenkombinat Fritz Heckert VEB
Current assignee: Werkzeugmaschinenkombinat Fritz Heckert VEB
Priority date: 1988-02-16
Filing date: 1988-11-17
Publication date: 1989-08-24
Also published as: FR2627118A1

Description

Die Erfindung erstreckt sich auf die Schmierung jeder Art von Reib stellenpaarungen, die in Maschinen, Geräten und Elementen mit Re lativbewegung vorhanden sind und bei denen das erforderliche Dreh moment zur Einleitung der Relativbewegung, z. B. Drehbewegung ins besondere bei hochtourigen wälzgelagerten Arbeitsspindeln von Werk zeugmaschinen, nicht spürbar größer werden darf.

Eine Steigerung der Relativgeschwindigkeit zwischen Reibungspartnern bedingt u. a. immer die Bewältigung von Schmierproblemen, um die Funktionstüchtigkeit des Bauelementes oder Baugruppe nicht durch erhöhte Reibungswärme beeinträchtigen zu lassen. Speziell mit der Steigerung der Schnittgeschwindigkeiten durch Werkzeugmaschinen konzentrieren sich die Probleme u. a. auf die Entwicklung hoch touriger Genauigkeitswälzlager für die Arbeitsspindeln, Führungen und Antriebsbaugruppen sowie leichtbauender schnell bewegter Teile. Für all diese Elemente ist eine betriebssichere Schmierung unab dingbar. Die Schmierung muß diesen unterschiedlichen Anforderungen gerecht werden.

Eine gezielte Auswahl des Schmierstoffes, des Schmierverfahrens der konstruktiven Gestaltung der Reibungspartner samt Umfeld wird erforderlich. Bei Spindellagerung muß die Schmierung so ausgelegt sein, daß Rollkontaktflächen ständig durch einen Schmierfilm zuver lässig getrennt sind, denn nur mit dieser Vollschmierung kann eine gleichbleibende Qualität ohne Beeinträchtigung durch Verschleiß ga rantiert werden. Desweiteren ist die Schmierung mit den geringsten Verlustleistungen, d. h. Lagererwärmung zu wählen, um die Arbeits genauigkeit der Maschine nicht zu beeinträchtigen.

Folgende Schmierverfahren werden zur Lagerschmierung der Haupt spindeln angewendet:

- Fettschmierung, oft als for-life-Schmierung, geeignet bis zu einem Drehzahlkennwert von d _m · n< 0,8 . . . 1 × 10⁶ mm · min^-1 (d _m - mittlerer Lagerdurchmesser, n - Drehzahl)
- Öl-Minimalmengenschmierung · Ölnebelschmierung, d _m · n < 1,6 · 10⁶ mm · min^-1 · Öl-Luft-Schmierung, d _m · n < 1,6 · 10⁶ mm · min^-1
- Öl-Einspritzschmierung mit Ölrückkühlung, d _m · n < 1 · 10⁶ mm · min^-1.

Geringerer konstruktiver Aufwand verschafft der Lebendauer-Fett schmierung eine weite Verbreitung. Erst bei hohen Drehzahlen ist eine ausreichende Schmierung durch Fett nicht mehr gewährleistet. Eine Ablösung erfolgt durch die Ölminimalmengenschmierverfahren und durch die Öl-Einspritzschmierung. Minimales Reibmoment und damit optimaler Betriebszustand liegt für Wälzlager bei sehr kleinen zuge führten Ölmengen, z. B. für Zylinderrollenlager bei 0,1 mm³ und für Axialkugellager bei 10 mm³. Als kleinste hinreichend zuverlässig do sierbare Ölmenge kann mittels Dosiereinrichtung nur ein Volumen von ca. 5 mm³ je Takt realisiert werden.

Bei Ölnebelschmieranlagen wird durch einen Mikronebelöler das Öl in kleinste Teilchen zerstäubt, wobei ca. 60% der Ölteilchen Durch messer kleiner 0,5 µm aufweisen. Kleinste Tropfen haben den Vor teil guter Transportfähigkeit und schlechter Haft- bzw. Benetzungs fähigkeit. So kommt es in den Zuführleitungen kaum zu Ausfällungen. Allerdings muß dann der feine Ölnebel vor der Lagerstelle wieder rückverdichtet werden, um die Lager mit einem schmierfähigen Öl film benetzen zu können. Unbefriedigend bleibt, daß eine genaue Öldosierung und vollständige Rückverdichtung nicht möglich ist. So tritt der überschüssige nicht verbrauchte Ölnebel aus der Spindel aus und belastet die Umwelt.

Um diesen Mangel zu beheben, wurde die Öl-Luft-Schmierung ent wickelt. Bei diesem System wird das Öl in eine luftdurchströmte Leitung dosiert eingespritzt und fließt wellenförmig an der Rohrwan dung entlang und bleibt das Kontinuum bis zum Leitungsende erhalten.

Die kleinste dosierte Ölmenge (ca. 5 mm³) verteilte sich somit über einen Zeitraum von beispielsweise 10 min.

Es ist zu erkennen, daß die Öl-Luft-Schmierung nur für einen festen Betriebspunkt optimal ausgelegt werden kann.

Unter wechselnden Betriebsbedingungen wird das System instabil. Es kommt zu einer Überschmierung oder Unterschmierung der zu tren nenden Kontaktstellen, da die Öl-Luft-Schmierung auf neue Anfor derungen zu träge reagiert. In beiden Fällen würde die Lagertempe ratur unzulässig hohe Werte annehmen. Weitere Drehzahlsteigerungen können mit bestehenden Verfahren der Minimalschmierung nicht er folgen. Es wird dann auf die Schmierung mit großen Ölmengen, auf die Einspritzschmierung, übergegangen, die gleichzeitig die Wärme aus der Lagerung abführt. Bei diesem Verfahren treten hohe Ver lustleistungen auf, die unbedingt bei der Antriebsleistung der Ma schine berücksichtigt werden müssen.

Aus diesem technischen Stand ergeben sich gravierende Gründe gegen den Einsatz der Minimalmengenschmierung insbesondere bei sich ändernden Drehzahlen, wechselnden Belastungen und Über schreitung der zulässigen Drehzahlen

- So wirken bei gesteigerter Überrollzahl an jedem Punkt der Lauf bahn Fliehkräfte auf die Schmierstoffschichten, die dann zum Ab wandern angeregt werden.
- Mit steigender Drehzahl werden die Käfigführungsflächen stärker beansprucht und deren Versorgung mit frischem Schmierstoff wird schwieriger.
- Die Dosierung des Schmierstoffes in Minimalmengen kann mit heuti gen Mitteln zum Beispiel für Zylinderrollenlager nicht fein genug erfolgen. Bei Reibung- und Temperaturänderungen verursacht durch Mengenschwankungen treten insbesondere bei Arbeits spindeln mit geringen Lagerspielen Verspannungen auf, die Heiß lauf zur Folge haben können.
- Auftretende Luftwirbel bei hohen Drehzahlen machen es immer schwieriger, kleine Ölmengen gezielt und gleichmäßig ins Lager zu bringen.
- Mit zunehmender Drehgeschwindigkeit wird es erforderlich, die Mindestölmenge mit einem Sicherheitszuschlag zu erhöhen, um eine Unterversorgung der Kontaktstellen abzuwenden. Der Sicherheits zuschlag löst eine Überschmierung aus und führt zur übermäßigen Erwärmung der Lager.
- Praktisch erfolgt dann eine Umstellung auf die energieunwirtschaft liche Einspritzschmierung mit Ölrückkühlung.
- Trotz Vorschläge (Absaugen des Ölnebels) tritt eine hohe Umwel belastung bei Ölnebelschmierung auf.

So bleibt die Aufgabe bestehen, eine Minimalmengenschmierung zu realisieren, die eine gezielte, genau dosierte Versorgung der Kontaktstellen ermöglicht und eine hohe Reaktionsfähigkeit auf wechselnde Betriebsbedingungen besitzt. Dabei muß abgesichert werden, daß die hochfeinen Öltröpfchen auch wirklich an den Reib flächen ankommen.

Ziel der Erfindung ist es, bei wälzgelagerten Baugruppen oder ande ren Reibpaarungen, die darüberhinaus hochtourig laufen, durch ge zielte Schmierung minimale Reibmomente und somit belastungsabhängig einen optimalen Betriebszustand zu erreichen. Darüberhinaus soll die Umweltbelastung durch austretenden Ölnebel sowie das Ein dringen von staubartigen Fremdkörpern in z. B. Spindelgehäuse ver hindert werden.

Der Erfindung liegt die technische Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und die dazu nötige Einrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1 erfinderisch so zu verbessern, daß eine gezielte Schmierung von Reibstellenpaarungen im Hinblick auf die zu dosie rende und an die Reibstellen zu bringende Menge Schmieröl unter Vermeiden von Umweltbelastungen möglich ist. Erfindungsgemäß wird die technische Aufgabe dadurch gelöst, daß sich die ansich bekann ten polarisierten Mikroölnebeltröpfchen nur an den schmierbedürftigen Kontaktflächen des Wälzlagers niederschlagen, daß der Luftstrom und das Hochspannungsfeld belastungsabhängig regelbar sind, daß sich die nichtverbrauchten Mikroölnebeltröpfchen an Kondensier- und Schleuderscheiben niederschlagen und über die Kondenzölrückleitung zurückgeführt werden und daß das Transportmedium Luft ölfrei über die Luftaustrittsspalten entweichen kann.

Die Vorteile der Lösung liegen darin, daß es möglich ist, belastungs abhängig die nur unbedingt notwendige Schmierölmenge an die schmier bedürftigen Kontaktstellen - Reibstellenpaarung - zu bringen, folglich ein Überschmieren, was z. B. bei hochtourig laufenden Spindeln Ver lustleistungen durch hohe Lagererwärmung zur Folge hätte, zu ver hindern. Somit wird ein optimaler Betriebszustand für die Wälzlager erreicht. Eventuell überschüssige Mikroölnebeltröpfchen schlagen sich an Kondensier- und Schleuderscheiben nieder und werden zurückge führt. Damit kann das Transportmedium Luft absolut ölfrei austreten, wirkt somit als Luftdichtung - verhindert das Eindringen staubartiger Fremdkörper - und belastet die Umwelt nicht.

Über eine belastungsabhängige Spannungsregelung - Abhängig von Drehzahl und Belastung z. B. der Spindel - läßt sich die Menge und das Potential der Ladungsträger "Ölnebel" problemlos verändern. Ein Regelkreis in Abhängigkeit vom technologischen Schnitt regime stellt somit eine sich selbst regulierende Schmierung dar. Dies ist besonders im Hinblick auf den Einsatz synthetischer Schmierstoffe ein kostengünstiger Vorteil, der durch die Wiederverwendbarkeit des nichtverbrauchten Schmierstoffs erreicht wird.

Nach den Merkmalen der Einrichtung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Zuführleitungen für den Mikroölnebel elektrisch isoliert ist, daß elektrisch isolierte Verteilerringe angeordnet sind, daß die Wälzlager einschließlich der Käfige bis auf die schmierbedürftigen Kontaktflächen ebenfalls elektrisch isoliert sind und daß nichtisolierte Kondensier- und Schleuderscheiben sowie Kondenzölrückleitungen angeordnet sind.

Die Isolation ist durch ölbeständige Farbschichten, durch Plast beschichten oder durch den Einsatz anderer nichtleitender Werk stoffe - z. B. Konstruktionskeramik, kohlenstoffaserverstärktem Plast - möglich.

Die Vorteile der Lösung liegen darin, daß sich immer nur die Menge an Mikroölnebeltröpfchen an den schmierbedürftigen nichtisolierten Kontaktstellen niederschlagen, die zum Erhalten optimaler Betriebs bedingungen erforderlich sind, demzufolge Leistungsverluste durch übermäßiges Schmieren nicht eintreten können.

Weitere Vorteile liegen darin, daß durch die nachgeordneten Konden sier- und Schleuderscheiben eventuell überschüssige Mikroölnebel tröpfchen aufgenommen und dem Ölkreislauf wieder zugeführt werden. Besonders im Hinblick auf den Einsatz synthetischer Schmierstoffe ist damit ein kostengünstiger Vorteil zu erreichen. Darüberhinaus kann das Transportmedium Luft absolut ölfrei aus der Spindel aus treten, so daß keinerlei Umweltbelastung eintritt, wobei die aus tretende Luft das Eindringen von Fremdstoffen verhindert.

Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispieles näher er läutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 Prinzipdarstellung einer Hochgeschwindigkeitsfräs spindel,

Fig. 2 schmierbedürftige Kontaktstellen am Wälzlager.

Als Ausführungsbeispiel wird eine Frässpindel 4 für Hochgeschwindig keitsbearbeitung gewählt, dazu Fig. 1.

Das Ölnebelgerät 1 erzeugt einen Mikroölnebel mit Tröpfchengröße überwiegend kleiner als 2 µm, dabei ist der Ölgehalt auf die Schmier problematik abgestimmt.

Das Ölnebelgerät 1 besteht aus bekannter Kombination von vier ver schiedenen Einzelgeräten, das sind:

Druckfilter, Druckminderventil mit Manometer, Druckluftschalter und Mikronebelöler.

Dieser Mikroölnebel wird in eine Ionisationskammer 2 geleitet. In diesen elektrostatischem Feld mit einer regelbaren Hochspannung von 10 . . . 35 kV erfolgt die Ionisation des Ölnebels. Die Zufüh rungsleitung 3 des ionisierten Ölnebels zu den Wälzlagern 5 und 8 ist isoliert, denn jeglicher metallischer Kontakt würde eine katho dische Abscheidung des Ölnebels bedeuten. Für diese Isolierung bestehen verschiedene Möglichkeiten:

1. Plastschlauch, der auch durchs Spindelgehäuse 6 gezogen wird,
2. Beschichtung mit widerstandsfähigem, ölbeständigen, nichtmetal lischen Überzug (Lack).

Die Zwischenringe 13 und 14 sowie die Verteilerringe 15 und 16 aus den Lagerpaaren 5 und 8 sind entweder vollisoliert (Beschichtung) oder gleich aus nichtmetallischen Material (z. B. Konstruktionskeramik) oder kohlenstoffaserverstärkter Plastwerkstoff). So gelangt der ioni sierte Ölnebel in die Lager 5 und 8 und schlägt sich als feiner Schmierfilm auf Innenring 7 und 10, Kugel 11, Käfig 12 und Außen ring 6 und 9 nieder. Um den Luftwirbel in der Lagerumgebung auf grund höchster Drehzahlen sicher zu durchbrechen, wird der ioni sierte Ölnebel mit geringem Überdruck zugeführt. Von einer Verteiler nut 17 und 18 führen ca. drei am Umfang verteilte Bohrungen 19 und 20 mit der Strahlrichtung auf den Innen- bzw. Außenring der Wälz lager 5 und 8. Die Strahlrichtung ist von der Käfigführung abhängig, die am Innenring oder Außenring möglich ist.

Der aufgrund eines Überangebotes durch die Lager strömende ioni sierte Ölnebel wird sich an den Kondensier- und Schleuderscheiben 21 bis 24 niederschlagen und kann dann über einen Fangraum 25 bis 28 in einer Kondenzölrückleitung 29 zur Wiederverwendung zu rückfließen. Mit der kathodischen Abscheidung des Ölnebels im Lagerbereich verbindet sich die Dichtwirkung durch das nach außen durch die Spalte 30 und 31 ausströmende Trägermedium Luft. Eine Um weltbelastung durch Ölnebel tritt nicht mehr auf.

Um noch gezielter und nur die Kontaktflächen mit Schmierstoff zu versorgen, können die tragenden Funktionsflächen ebenfalls durch eine Beschichtung isoliert werden. In Fig. 2 wird ein Wälzlager mit Käfigführung am Außenring gezeigt. Um den kathodischen Ölnebel niederschlag nur in der Kontaktzone zwischen Kugel 11, Innen ring 7, Außenring 6 und Käfig 12 zu sichern, werden die übrigen Flächen isolierend beschichtet. Ein wirksamer Schmierfilm entsteht folglich nur an den Kontaktflächen 32 und 33.

1 Ölnebelgerät
2 Ionisationskammer
3 Zuführleitung (isoliert)
4 Hochgeschwindigkeitsfrässpindel
5 Wälzlager
6 Außenring
7 Innenring
8 Wälzlager
9 Außenring
10 Innenring
11 Kugel
12 Käfig
13 Zwischenringe
14 Zwischenringe
15 Verteilerringe
16 Verteilerringe
17 Verteilernut
18 Verteilernut
19 Bohrungen
20 Bohrungen
21 Kondensier- und Schleuderscheiben
22 Kondensier- und Schleuderscheiben
23 Kondensier- und Schleuderscheiben
24 Kondensier- und Schleuderscheiben
25 Fangräume
26 Fangräume
27 Fangräume
28 Fangräume
29 Kondenzölrückleitung
30 Luftaustrittsspalte
31 Luftaustrittsspalte
33 Kontaktflächen

Claims

1. Verfahren und Einrichtung zur gezielten Schmierung von Reib stellenpaarungen, wobei eine dosierte Menge Schmieröl vernebelt, in einer Ionisationskammer polarisiert, folglich durch elektro statisches Beschichten aufgebracht und der nichtverbrauchte Öl nebel abgesaugt wird, dadurch gekennzeichnet,
daß sich die ansich bekannten polarisierten Mikroölnebeltröpfchen nur an den schmierbedürftigen Kontaktflächen (9 und 10) sowie an Kugel (11) und Käfig (12) niederschlagen, daß der Luftstrom und das Hochspannungsfeld belastungsabhängig regelbar sind,
daß sich die nicht verbrauchten Mikroölnebeltröpfchen an Kon densier- und Schleuderscheiben (21 bis 24) niederschlagen und über die Kondenzölrückleitung (29) zurückgeführt werden und
daß das Transportmedium Luft ölfrei über die Luftaustritts spalten (30 und 31) entweichen kann.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß über die belastungsabhängige Regelbarkeit optimale Betriebs bedingungen erreicht wurden und ein geschlossener Schmierkreis lauf möglich ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Zuführleitung (3) elektrisch isoliert ist,
daß elektrisch isolierte Verteilerringe (15 und 16) angeordnet sind, daß die Wälzlager (5 und 8) bis auf die Kontaktflächen (9 und 10) sowie Kugeln (11) und Kontaktflächen des Käfigs (12) elektrisch isoliert sind und daß nichtisolierte Kondensier- und Schleuderscheiben (21 bis 24) sowie Kondenzölrückleitungen angeordnet sind.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolation durch eine ölbeständige Farbschicht erreicht wird.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Zuführleitung (3) ein Plastschlauch, Verteilerringe (15 und 16) aus Konstruktionskeramik eingesetzt werden und die nichtschmierbedürftigen Flächen der Wälzlager (5 und 8) mit einer ölbeständigen Isolationsschicht abgedeckt sind.