Aus der Praxis für die Praxis wie Hannes und Alfredsson [2] an Rauheitsspitzen entstehen können und die in Folge als Ausgangspunkt für Ermüdungsschäden wirken können. Weiterhin strebt die Industrie möglichst energieeffiziente Systeme an, was für ein Tribo-System einen möglichst geringen Reibwert voraussetzt. Das Profil einer Oberfläche wird vorwiegend durch deren Bearbeitungsverfahren geprägt. Unterschiedliche Verfahren werden weiterentwickelt, um die tribologische Oberfläche zu optimieren. Eine Methode zur Erzeugung guter Oberflächen ist z. B. das Hartdrehen, welches sich in den Versuchen von Agha und Liu [3] als deutlich prozessstabiler zeigte als das Schleifen oder Läppen. Wichtig bei Materialabtrag und Verbesserung des Oberflächenprofils ist eine gleichzeitige Erhaltung der Bauteil- Form. Letzteres ist nach Shaikh und Jain [4] beim Läppen durch geringe Abtragsleistung und dadurch sehr langer Bearbeitungszeit nicht gegeben. Das Gleitschleifen ist gewöhnlich auch als ein Verfahren mit geringer Abtragsleistung bekannt. Ein neues Gleitschleif-Verfahren des Maschinenherstellers OTEC Präzisionsfinish GmbH verspricht mit einer sogenannten Pulsfunktion höhere Abtragsleistungen. Die SEW-EURODRIVE GmbH & Co. KG hat dieses Verfahren technologisch bewertet. Unterschiedlichste Maschineneinstellungen ermöglichen es tribologische Effekte, wie z. B. ein feines Oberflächenfinish mit abgeschlossen Kavitäten auf Bauteilen, einzustellen. 2 Versuchsdurchführung und -materialien Bild 1 zeigt die Versuchsdurchführung die sich wesentlich aus zwei Teilen zusammensetzt.- Dem Gleitschleifen und der Prüfung der daraus resultierenden Oberflächencharakteristik, sowie den Wälzversuchen mit gleitgeschliffenen Oberflächen und deren Einfluss auf die tribologischen Eigenschaften. Zu diesem Zweck erfolgt jeweils vor und nach der Gleitschleif-Bearbeitung eine Charakterisierung der Versuchsoberflächen. Mit den daraus gewonnen Ergebnissen wird aufgezeigt, welche Vorzüge das Gleitschleif-Verfahren im Sinne eines Oberflächen-Finish hat. Als Probenkörper wurden Scheiben aus dem Einsatzstahl 16MnCr5 mit einem Außendurchmesser von 42 mm, einem Innendurchmesser von 16 mm und einer Breite von 12 mm verwendet. Eine Hälfte der Scheiben besaß eine zylindrische, der andere Teil eine ballige Mantelfläche. Der Radius der Balligkeit betrug 21 mm. Die Härte der Mantelflächen wurde mit 550HV30 gemessen. In ihrem Ausgangszustand wurden die Scheiben feingeschliffen. Die Gleitschleif-Bearbeitung erfolgte mit einer Streamfinishmaschine vom Typ SF-3/ 3-105-A-W des Herstellers OTEC Präzisionsfinish GmbH. Diese Bearbeitungsmaschine unterscheidet sich gegenüber anderen Gleitschleifanlagen vor allem durch ihre Pulsfinish-Funktion. Mit dem Begriff „pulsen“ wird ein Drehrichtungswechsel in kurzen Intervallen von wenigen Sekunden bezeichnet. Dabei wird ein loses Schleifgranulat auf Aluminiumoxidbasis hochdynamisch an der zu bearbeitenden Oberfläche vorbei geführt. Die Scheiben wurden zunächst jeweils mit der Minimal- und Maximal-Einstellung ausgewählter Parameter bearbeitet. Damit wurden die Parameter identifiziert, deren Änderung eine signifikante Veränderung der Oberfläche bewirken. Für diese einflussreichen Parameter wurden weitere Werte für die Bearbeitung der Scheiben ausgewählt, um einen Kurvenverlauf der Rauheitswerte zu erhalten. Zuletzt wurden Scheiben mit der „optimalen“ Einstellung für jeden Be- 34 Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 5/ 2017 Bild 1: Ziele und Vorgehen der Gleitschleif- und Wälz-Versuche T+S_5_17 31.07.17 10: 58 Seite 34 Aus der Praxis für die Praxis arbeitungsparameter bearbeitet, die zur Oberfläche mit den geringsten Rauigkeiten führte. Die Oberflächencharakterisierung vor und nach dem Gleitschleifen wurde taktil mit einem HOMMEL- ETAMIC T6000 (Tastspitze mit 5 µm Radius und 90° Winkel) durchgeführt, sowie mit den optischen Messgeräten Sensofar PLu neox interferometrisch (NIKON DI 10x Objektiv) und Alicona InfiniteFocusSL (Alicona 50x Objektiv). Es wurden außerdem Aufnahmen der Oberflächen mit dem Digitalmikroskop Keyence VHX- 600 mit unterschiedlichen Vergrößerungen erzeugt. Für den 2-Scheiben-Wälzversuch wurde ein Prüfstand Typ „Amsler“ verwendet. Bei jedem Versuch trieb eine zylindrische eine ballig Scheibe an. Jede dieser Paarungen durchlief drei Laststufen mit 1 Mio. Überrollungen je Laststufe. In Tabelle 1 sind die dazugehörigen Prüfparameter aufgeführt. 3 Ergebnisse Die Tabelle 2 zeigt den gemessenen Wertebereich der taktil gemessenen Rauheitskennwerte der Scheiben vor der Gleitschleif-Bearbeitung. Die Differenzen der Kennwerte zwischen den zylindrischen und den balligen Scheiben lassen sich auf einen Formfehler der Balligkeit zurückführen. Dieser Formfehler wurde bei allen balligen feingeschliffenen Scheiben gemessen und bleibt auch nach einer Formreduzierung (Abzug der Balligkeit vom gemessenen Profil) erhalten. Es wird davon ausgegangen, dass die Ursache für den Formfehler in einer Trennfuge der Schleifscheiben liegt. Da der Formfehler jedoch auf allen balligen Scheiben gleichartig vorhanden ist und nicht im Kontaktbereich liegt, wird von einer guten Vergleichbarkeit der balligen Scheiben untereinander ausgegangen. Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 5/ 2017 35 Bild 2: Änderung der Oberflächencharakteristik durch Gleitschleifen Tabelle 1: Testparameter 2-Scheiben-Wälzversuche Laststufe Drehzahl Schlupf Schmierstoff Normalkraft Hertz’sche Pressung [-] [min -1 ] [%] [-] [N] [GPa] 1 500 1,82 2 390 10 Mobil SHC 624 600 1,94 3 700 2,04 Tabelle 2: Wertebereiche der Rauheitskennwerte vor der Bearbeitung Form Ra [μm] Rq [μm] Rk [μm] Rpk [μm] Rvk [μm] zylindrisch 0,203-0,287 0,261-0,356 0,620-0,970 0,186-0,331 0,291-0,536 ballig 0,528-0,569 0,624-0,700 0,820-1,230 0,345-0,823 1,392-2,209 In den ersten Versuchen wurden die minimalen und maximalen Werte der folgenden Bearbeitungsparameter variiert: Werkstück-Drehzahl, Pulszeit, Schwenkwinkel, Eintauchtiefe, Wasserstand, Schleifgranulat und Prozesszeit. Für jede Versuchseinstellung wurden mindestens zwei Scheiben der gleichen Form bearbeitet. In Summe war bei den Parametern Werkstück-Drehzahl und Prozesszeit die signifikanteste Änderung der Rauheitskennwerte zwischen dem minimalen und maximalen Wert zu erkennen. Weiterhin war auffällig, dass es bei nur geringfügiger Änderung der taktil gemessenen Rauheitskennwerte deutliche Unterschiede in der Oberflächencharakteristik gab. Ein Beispiel für die Oberflächenänderung durch das Gleitschleifen ist in der Bild 2 zu sehen. T+S_5_17 31.07.17 10: 58 Seite 35 Aus der Praxis für die Praxis Im feingeschliffenen Zustand sind sowohl auf der Aufnahme des optischen Messgeräts, als auch auf der Aufnahme mit dem Digitalmikroskop Riefen durch die Schleifbearbeitung in Umfangsrichtung deutlich sichtbar. Im gleitgeschliffenen Zustand sind die Bearbeitungsspuren der ursprünglichen Schleifbearbeitung nicht mehr erkennbar. Es sind stattdessen Riefen durch das Gleitschleifen entstanden, die durch den Schwenkwinkel jedoch schräg zum Umfang verlaufen. Diese Riefen sind jedoch weniger gleichförmig, als die durch die ursprüngliche Schleifbearbeitung entstandenen. Zusätzlich sind nach der Bearbeitung auf beiden Aufnahmen kleine Kavitäten zu sehen, welche sehr wahrscheinlich beim Auftreffen des Schleifgranulats unter hoher Dynamik auf der Werkstückoberfläche entstanden sind. Diese optisch deutlich unterschiedlichen Oberflächen unterscheiden sich in ihren Kenngrößen nicht in gleichem Maße, wie die Tabelle 3 zeigt. Eine Halbierung der Kennwerte kann aber als Größenordnung gemessen werden. Bei weiteren Versuchen wurde die Prozesszeit bei sonst konstanten Parametern verändert. Aus den Ergebnissen der Rauheitsmessung ergibt sich ein nichtlinearer Verlauf der Rq-Kennwertänderung wie in Bild 3 dargestellt. Bei der Prozesszeit stellt sich die größte Kennwertänderung nicht bei der maximal getesteten Zeit von 90 s, sondern bereits bei 62 s ein. Dies lässt darauf schließen, dass bereits nach 62 s der höchste Materialabtrag erfolgt war. 36 Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 5/ 2017 Tabelle 3: Vergleich Rauheitskennwerte einer Scheibe im fein- und gleitgeschliffenen Zustand Oberfläche Ra [μm] Rq [μm] Rk [μm] Rpk [μm] Rvk [μm] feingeschliffen 0,244 0,311 0,790 0,266 0,395 gleitgeschliffen 0,101 0,127 0,327 0,129 0,154 Bild 3: Änderung des Rq-Wertes in Abhängigkeit der Bearbeitungszeit Bild 4: Reibwerte bei den 2-Scheiben-Wälzversuchen Im letzten Schritt der Bearbeitungsversuche zeigt sich, dass die Kombination aus den einzelnen Parameter-Einstellungen mit den jeweils glattesten Oberflächen nach der Bearbeitung bei den zylindrischen Scheiben, die insgesamt glatteste Oberfläche erzeugt. Bei den balligen Scheiben kann in dieser Hinsicht keine eindeutige Tendenz erkannt werden. Hier wird wahrscheinlich je nach Parametereinstellung der Formfehler unterschiedlich stark abgetragen. Für die anschließenden Wälzversuche wurden jeweils eine zylindrische und eine ballige Scheibe aufgrund ihrer Oberflächeneigenschaften paarweise ausgewählt. Die Parametereinstellung beim Gleitschleifen hatte bei dieser Auswahl keinen Einfluss. Die Ergebnisse der Wälzversuche im 2-Scheiben-Prüfstand sind in der Bild 4 dargestellt. T+S_5_17 31.07.17 10: 58 Seite 36 Aus der Praxis für die Praxis Das Diagramm zeigt die gemessenen Reibwerte der Einzelversuche über die gesamte Laufzeit jeder Paarung in den drei Laststufen. Im Vergleich zu den feingeschliffenen Referenzproben wird mit den gleitgeschliffenen Scheiben eine Verringerung des Reibwerts um bis zu 30 % in den Laststufen 500 N und 600 N erreicht. Obwohl dieses Diagramm zeigt, dass tendenziell ein geringer Ra zu einem geringen Reibwert führt, hat sich aus der Versuchsdatenmatrix keine direkte Abhängigkeit des Reibwerts zu einem der Oberflächenkennwerte erkennen lassen. Um eine Abhängigkeit zwischen Oberflächen-Kennwerten und Reibwert zu ermitteln, wurden die Reibwerte je Scheiben-Paarung über unterschiedliche Oberflächen-Kennwerte aufgetragen. Die größte Korrelation zum Reibwert zeigt die Summe aus den taktil gemessenen Profilkennwerten Rk und Rpk. Bild 5 zeigt diese Korrelation für alle drei Laststufen über unterschiedlichste Bearbeitungsversuche. Für die Erstellung des Diagramms wurde der Mittelwert der Oberflächenkenngrößen der gemeinsam getesteten zylindrischen und balligen Scheibe gebildet und gegen den Reibwert aufgetragen. Die zusätzlich eingetragene logarithmische Trendlinie zeigt für die Laststufe 500 N ein Bestimmtheitsmaß von 0,9885, was auf eine sehr hohe Korrelation hindeutet. Diese gute Korrelation lässt auch in den beiden Laststufen von 600 N und 700 N nur geringfügig nach. Zu Beginn dieser Laststufen hat sich jedoch auch die Ausgangsoberfläche bereits verändert, wodurch sich die Abweichung erklären lässt. 4 Diskussion In den verschiedenen Gleitschleif-Versuchen hat sich gezeigt, dass der größte Materialabtrag bei den zylindrischen Scheiben mit Schwenkwinkel erreicht wird, bei balligen ohne Schwenken. Dies deutet darauf hin, dass an abgerundeten oder schräg zur Fließrichtung des Granulats verlaufenden Oberflächen mehr Material abtragen wird, als an senkrecht zur Fließrichtung stehenden. Bei schrägen Oberflächen gleitet das Granulat nach dem Auftreffen noch eine gewisse Strecke über die Oberfläche und nimmt Material mit. Beim Auftreffen entstehen Kavitäten, wie sie auf den Mikroskopaufnahmen zu sehen waren. Neben dem Materialabtrag sind auch diese als positive Veränderung der Oberfläche durch das Gleitschleifen zu bewerten, denn sie können als Ölrückhaltevolumen dienen. Die hohe Dynamik bei diesem Verfahren führt zu hohen Abtragsraten und kurzen Prozesszeiten. Die spezifische Pulsfunktion der verwendeten Maschine zeigte bei den rotationssymmetrischen Scheiben keinen signifikanten Effekt. Jedoch konnte bei parallel durchgeführten Bearbeitungsversuchen an komplexeren Bauteilen ein großer positiver Effekt durch die Pulsfunktion dargestellt werden. Die Bearbeitung solcher Bauteile führte mit Pulsfunktion zu einer sehr gleichmäßigen Oberfläche. Die Oberflächenänderungen durch das Gleitschleifen haben sich in Summe nur in geringen Änderungen der Oberflächenkennwerte geäußert. Für die Bewertung des Bearbeitungsergebnisses durch Rauheitskennwerte ist die Auswahl eines geeigneten Messystems daher essentiell. Es hat sich jedoch auch gezeigt, dass die Aufnahmen mit Digitalmikroskop und damit die optische Bewertung der Oberfläche sehr aussagekräftig in Bezug auf die Bearbeitung ist. Unterschiedlich bearbeitete Oberflächen unterscheiden sich optisch unter anderem in der Orientierung der Riefen und der Anzahl und Verteilung der Kavitäten. Aus den Ergebnissen der Bearbeitungs- und der Wälzversuche konnte abgeleitet werden, dass der gemessene Reibwert am stärksten mit der Summe aus Kernrautiefe Rk und Spitzenhöhe Rpk korreliert. Eine mögliche Erklärung für diese Korrelation könnte darin liegen, dass sich zunächst die obersten Spitzen eines Rauheitsprofils zweier Oberflächen im Kontakt befinden. Nach dem Einlaufvorgang und der Entfernung der oberen Spitzen kommen darunter liegende Spitzen in Kontakt. Der Rpk ist relevant für den Einlaufvorgang und der Rk für den weiteren Betrieb. Es kann angenommen werden, dass die Wahrscheinlichkeit, dass viele Spitzen in Kontakt kommen höher ist, je kleiner der Rk beträgt. Diese Beobachtung passt jedoch nicht zu der häufig noch gängi- Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 5/ 2017 37 Bild 5: Korrelation zwischen Reibwerte der drei Laststufen und Summe der Kennwerte Rk+Rpk T+S_5_17 31.07.17 10: 58 Seite 37 Aus der Praxis für die Praxis gen industriellen Praxis, eine Oberflächenqualität ausschließlich anhand ihres Rz zu bewerten. 5 Zusammenfassung Es lässt sich zusammenfassen, dass die resultierende Oberfläche durch Gleitschleifen von vielen Bearbeitungsparametern abhängt. Unter anderem haben die Bauteil-Geometrie und die Ausgangsoberfläche großen Einfluss auf das Ergebnis durch die Gleitschleif-Bearbeitung. Oberflächen komplexerer Bauteile lassen sich sehr schnell und in hoher Reproduzierbarkeit mit dem Pulsfinish-Verfahren bearbeiten. Mit einem Bestimmtheitsmaß von 0,9885, also nahezu 1, konnte in den Versuchen eine starke Abhängigkeit des Reibwerts zur Summe der Kennwerte Rk+Rpk beider Kontaktpartner ermittelt werden. Dabei bewirkt schon eine Änderung von 100 nm von Rk+Rpk eine Reibwertänderung um 0,005. Um einen größtmöglichen Nutzen aus der Gleitschleif-Bearbeitung ziehen zu können, müssen folglich geringe Unterschiede zwischen Rauheitskennwerten messtechnisch erfassbar sein. Mit der richtigen Parameterauswahl kann dann aber der Reibwert im Wälzkontakt um bis zu 30 % verbessert werden. Literatur [1] O. Kreil, Einfluss der Oberflächenstruktur auf Druckverteilung und Schmierfilmdicke im EHD-Kontakt, München, 2009. [2] D. Hannes und B. Alfredsson, „A fracture mechanical life prediction method for rolling contact fatigue based on the asperity point load mechanism,“ Engineering Fracture Mechanics, pp. 62-74, 2012. [3] S. R. Agha und C. R. Liu, „Experimental study on the performance of superfinish hard turned surfaces in rolling contact,“ Wear, pp. 52-59, 2000. [4] J. H. Shaikh und N. Jain, „Effect of finishing time and electrolyte composition on geometric accuracy and surface finish of straight bevel gears in EHC process,“ CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology, pp. 53-62, 5 11 2014. 38 Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 5/ 2017 Hier könnte auch IHRE Firmen-Information zu finden sein! Wenn auch Sie die Leser von T + S über Ihre aktuellen Broschüren und Kataloge informieren möchten, empfehlen wir Ihnen, diese Werbemöglichkeit zu nutzen. Für weitere Informationen - wie Gestaltung, Platzierung, Kosten - wenden Sie sich bitte an Frau Sigrid Hackenberg, die Ihnen jederzeit gerne mit Rat und Tat zur Verfügung steht. Telefon (0 71 59) 92 65-13 Telefax (0 71 59) 92 65-20 E-Mail: anzeigen@expertverlag.de Internet: www.expertverlag.de Anzeige T+S_5_17 31.07.17 10: 58 Seite 38 Aus der Praxis für die Praxis Introduction Due to the tribological contact in lubricated bearings thin boundary layers are formed based on additives and the test conditions. Previous investigations proved the influence of the temperature and the mechanical contact on the reaction kinetics for tribochemical reaction layers [1]. It was shown, that at 70 °C the additive ZDDP (Zinc dialkyldithio-phosphate) disintegrates and the transformation to phosphate glass starts. Above 350 °C the phosphate glass is exposed, at 500 °C it disintegrates [1]. Besides the temperature also the induced energy by the tribological contact promotes the generation of phosphate glass. The effect of different temperatures (80 °C, 100 °C, 120 °C) was investigated for axial cylindrical roller bearings (type TBB 81212). The axial bearing washers were tested in a FE-8 test rig for the mechanical-dynamic measurement of rolling element bearing lubricants. The test is specified in the standard DIN 51819. For lubrication a ZDDP containing oil was used. ZDDP is a common anti wear additive. According to Bec et al. layers based on ZDDP can reach a thickness of up to 150 nm [2]. The flow rate of the oil was 0.1 l/ min. For applying the preload of 60 kN to the bearings, disk springs were used. To control the bearing temperature the test head is cooled by a fan. For each test two bearings were analysed under the same test conditions. The bearing life test is separated in a run in phase for 24 h at 500 rpm and a 176 h test run at 750 rpm. By vibrational measurements a bearing failure was determined. A bearing reaching the desired total Tribologie + Schmierungstechnik 64. Jahrgang 5/ 2017 39 Investigation of the temperature influence on the formation of boundary layers on bearings F. Pape, G. Möbes, D. Lipinsky, C. Muhmann, H. F. Arlinghaus, G. Poll* Bei ölgeschmierten Wälzlagern üben der Aufbau und die chemische Zusammensetzung der sich auf belasteten Oberflächen ausbildenden Grenzschichten sowie die Temperatur im Wälzlager einen großen Einfluss auf das Verschleißverhalten aus. Der Einfluss der Temperatur auf die Bildung dieser Grenzschichten wurde bei Axialzylinderrollenlagern mit Hilfe von Nanoindentation, Nanoscratch-, Pin-on-Disk-Tests und ToF-SIMS-Analysen untersucht. Ein Vergleich der mikrotribologischen Eigenschaften mit den chemischen Eigenschaften der Grenzschichten zeigt abhängig von der jeweiligen Test-Temperatur die Bildung von unterschiedlichen Grenzschichten sowie Veränderungen der Grenzschicht-Zusammensetzung in Abhängigkeit von der Position innerhalb der Laufspur. Schlüsselwörter Nano/ Micro Tribologie, ToF-SIMS (Flugzeit-Sekundärionenmassenspektrometrie), Lateralverteilungsanalyse, Tiefenprofilanalyse Boundary films play a major role in wear protection on bearing washers under oil lubrication including the fact, that depending on working temperature the bearing life can be increased. Therefore, the temperature influence on the formation of those layers on surfaces of axial bearings after failure or after passing a bearing fatigue life test was investigated using nanoindentation, nanoscratch, pin-on-disk tests, and ToF-SIMS measurements. Depending on the specific test temperatures, the micro-tribological properties and the chemical composition of the boundary layers were set in relation to each other showing the formation of different boundary layers including variations in boundary layer composition with respect to the position within the runway. Keywords Boundary layers, nano/ micro tribology, tribo chemistry, ToF-SIMS (Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry), secondary ion imaging, depth profile analysis Kurzfassung Abstract * Dr.-Ing. Florian Pape Giovanno Möbes Prof. Dr.-Ing. Gerhard Poll IMKT (Institut für Maschinenkonstruktion und Tribologie) Leibniz Universität Hannover, 30167 Hannover Dr. rer. nat., Dipl.-Phys. Dieter Lipinsky Dipl.-Phys. Christian Muhmann Prof. Dr. rer. nat., Dipl.-Phys. Heinrich F. Arlinghaus Westfälische Wilhelms-Universität Münster 48149 Münster T+S_5_17 31.07.17 10: 58 Seite 39