Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Haftreibungserhöhung von Klemmscheiben (Rundtischklemmung)

Der vorliegende Projektantrag widmet sich der Erhöhung des Haftreibkoeffizienten für die Rundtischklemmung von Werkzeugmaschinen. Dadurch werden höhere Zerspanvolumina, die Steigerung der Maschinengenauigkeit, geringere Klemmkräfte, Bauraumreduzierungen, die Einführung neuer Klemmantriebe und gesteigerte Systemsicherheiten ermöglicht.

Die Erhöhung des Haftreibkoeffizienten wird durch systematische Untersuchungen zur Auslegung und Entwicklung neuer Materialpaarungen sowie Oberflächenfeingestalten beider Reibpartner (Wirkflächenbetrachtungen) in Verbindung mit der Optimierung der Makrogestalt der Kontaktflächen und Kontaktkörper (Systembetrachtung) erreicht.

Die Wirkflächen werden zunächst simulativ unter Berücksichtigung der Materialpaarung der Klemmpartner, einer selektiven Wärmebehandlung sowie der Modifizierung der Oberflächenfeingestalt ausgelegt. Die Erkenntnisse münden in Untersuchungen zur technologischen, seriennahen Umsetzung mit anschließender Bewertung der gefertigten Modellflächen auf einen Haftreibwertprüfstand. Darüber hinaus erfolgt eine simulationsgestützte Optimierung der Makrogestalt der Klemmpartner zur Erreichung hoher Traganteile sowie einer homogenen Flächenpressung im Klemmsystem unter Berücksichtigung der Elastizität der Klemmpartner. Das Mikro-Kontakt-Verhalten wird im makroskopischen Modell approximiert. Der Dauerfestigkeitsnachweis am Analogieversuchsstand und die Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zeigen die industrielle Umsetzbarkeit der entwickelten Lösung auf.

Werkzeugmaschinenhersteller (54 % KMU), als potenzielle Anwender der Projektergebnisse, können diese neben Rundtischen einfach für andere Applikationen wie Dreh-Schwenk-Köpfe adaptieren. Maschinenbetreiber (hoher KMU-Anteil) profitieren von der erhöhten Zerspanungsleistung und Prozesssicherheit. Komponentenhersteller können die Erkenntnisse im Bereich von Neuentwicklungen von Klemmelementen für weitere Anwendungen, bspw. sogenannte Haltebremsen in Servomotoren, einsetzen.

Ergebniszusammenfassung:

Im Rahmen des Forschungsprojektes wurde ein mehrstufiger Simulationsansatz zur Berechnung des Haftreibwertes auf Basis real gefertigter digitalisierter oder virtuell erzeugter Oberflächen entwickelt und validiert. Zur experimentellen Überprüfung der Vielzahl an neuartigen Reibpaarungen wurde zudem ein linearer Haftreibprüfstand qualifiziert. Durch diesen erfolgte eine Vorauswahl der zielführendsten Reibpartner für eine detaillierte Untersuchung an den Äquivalenzprüfständen. Diese Prüfstände wurden im Projektverlauf entwickelt und belasten die Reibpaarungen mit 100.000 Klemmzyklen innerhalb eines regulären Betriebes und zusätzlich über 5 Not-Halte. Die Prüfstände stehen nach Projektabschluss für die weitergehende Prüfung von Reibpaarungen der Industriepartner zur Verfügung.

Im Rahmen der entwickelten neuartigen Reibpaarungen ist u.a. eine thermische Hartmetallspritzschicht gegen einen 42CrMo4 Reibpartner zu nennen. Diese Reibpaarung zeichnet sich durch einen hohen Haftreibwert µH = 0,42 ab dem ersten Reibzyklus aus und hat im Rahmen der Dauerversuche über 100.000 Klemmzyklen die höchste Belastung erfahren. Außerdem zeigt sich die Reibpaarung im Rahmen der Dauerversuche nahezu unempfindlich gegenüber den Not-Halten und weist selbst nach diesen noch einen Haftreibwert µH = 0,40 auf.

Als zweite vielversprechende Reibpaarung wurde ein Aluminiummatrix-Verbundwerkstoff (AMC) gegen einen 42CrMo4 Reibpartner identifiziert. Diese Reibpaarung benötigt einen Einlaufprozess, um eine Steigerung des Haftreibwertes von µH = 0,18 auf einen Wert von µH = 0,46 zu erfahren. Die AMC-Reibpaarung wird durch die Not-Halte nicht negativ beeinflusst. Der Haftreibwert bleibt auch nach den 5 Not-Halten auf demselben Ausgangsniveau. Darüber hinaus ist speziell auf dem 42CrMo4 Reibpartner nahezu kein Verschleiß sichtbar. Dieses Verschleißverhalten ist insbesondere für schwer zugängliche Komponenten interessant, um die anfallenden Wartungen auf ein Minimum zu beschränken.