Anwendungen von hochpräzisen Zylinderrollenlagern

Hochpräzise Zylinderrollenlager zeichnen sich durch geringe Reibung, hohe Steifigkeit und Formstabilität aus und werden vor allem in Anwendungen eingesetzt, die hohe Rundlaufgenauigkeit und gleichmäßige Lastverteilung erfordern. Die folgende Analyse umfasst verschiedene Branchen, Anwendungsbereiche und technische Anforderungen und wird anhand typischer Beispiele veranschaulicht:

I. Präzisionsmaschinen und Werkzeugmaschinen

1. Spindelhalterung für CNC-Bearbeitungszentren

• Anwendungshintergrund:

Die Spindeldrehzahlen in Bearbeitungszentren liegen typischerweise zwischen 10.000 und 20.000 U/min und erfordern einen Rundlauf ≤ 5 μm und ein Axialspiel ≤ 2 μm für die Oberflächenrauheit (Ra ≤ 0,8 μm) von Präzisionsteilen (z. B. Triebwerksschaufeln).

• Modellauswahl:

Hochpräzise Zylinderrollenlager der Baureihe NN30 der P4-Klaase (Außenring ohne Rippen, Innenring mit 1:12-Kegel) werden mit Axiallagern kombiniert und mit einem Spindelgehäuse-Konstanttemperatursystem (Temperaturregelung ±0,5 °C) zur Vermeidung von thermischen Verformungen eingesetzt.

• Anwendungsbeispiel:

Das lineare Hochgeschwindigkeits-Bearbeitungszentrum DMG HSC 75 verwendet hochpräzise Zylinderrollenlager, die bei 30.000 U/min einen Rundlauf ≤ 3 μm erreichen.

2. Schleifscheibenwelle und Führungsschienenhalterung in Schleifmaschinen

• Anwendungsszenario:

Außenrundschleifmaschinen (z. B. M1432B) erfordern eine Werkstückrundheit von ≤ 1 μm, wobei das radiale Spiel der Lager auf 5–10 μm geregelt wird und die Lager wechselnden radialen Belastungen (500–1.000 N) durch Schleifkräfte standhalten müssen.

• Technischer Vorteil:

Der Rollgeradheitsfehler von hochpräzisen Zylinderrollenlagern beträgt ≤ 1 μm und die Rauheit der Laufbahnfläche Ra ≤ 0,2 μm, wodurch die durch Schleifvibrationen verursachten Welligkeiten reduziert werden (z. B. verringert sich die Werkstückoberflächenwelligkeit von 0,5 μm bei herkömmlichen Lagern auf 0,1 μm bei hochpräzisen Lagern).

II. Luft- und Raumfahrt sowie High-End-Ausrüstung

1. Nebenantriebssysteme von Flugzeugtriebwerken

• Betriebsbedingungen:

Zubehörgetriebe (z. B. Kraftstoffpumpen, Ölpumpenantriebswellen) drehen sich mit 15.000–25.000 U/min und sind radialen Zentrifugalkräften (Lastkoeffizient 1,2–1,8) und wechselnden Belastungen durch Zahnradverzahnung ausgesetzt, wobei eine Lebensdauer von ≥ 5.000 Stunden (entspricht 500 Starts und Landungen bei zivilen Flugzeugen) gefordert ist.

• Spezielle Konstruktion:

Es werden Keramikrollen (Si3N4) und elektrisch isolierte Beschichtungen (zur Verhinderung von Wellenstromkorrosion) verwendet. Beispielsweise werden in den Antriebslagern des GE9X-Triebwerks Präzisionsrollen der ISO-Klasse 2 (Rollendurchmessertoleranz ±0,5 μm) eingesetzt, um Vibrationsgeräusche (≤75 dB) zu reduzieren.

2. Fluglageregelungs-Schwungräder für Satelliten

• Kennzahlen:

Schwungräder drehen sich mit 2.000–5.000 U/min und erfordern eine Drehimpulsstabilität von ≤0,01°/s und eine Lebensdauer von ≥10 Jahren (keine Wartung im Weltraum). Dies wird durch Vakuumschmierung (fester Schmierfilm) und hochpräzise Spielkontrolle (Radialspiel 2–5 μm) erreicht.

• Modellbeispiel:

Das Lageregelungs-Schwungrad des Hubble-Teleskops verwendet hochpräzise Zylinderrollenlager der Klasse P2 mit einem Käfig auf Metallbasis (strahlungsbeständig), die seit 20 Jahren im Orbit störungsfrei arbeiten.

III. Halbleiterfertigungsanlagen

1. Präzisionsführungsschienen für Lithografietische

• Präzisionsanforderungen:

Der Tisch von 7-nm-Lithografiemaschinen erfordert eine Bewegungsgenauigkeit von ±1 nm, einen radialen Rundlauf der Lager von ≤0,1 μm und Beständigkeit gegen Partikelverunreinigungen (Partikelgröße ≤0,1 μm) in Reinraumumgebungen (ISO-Klasse 1).

• Technische Lösung:

Es werden hochpräzise Zylinderrollenlager (Maßtoleranz IT2) mit Magnetflüssigkeitsdichtungen verwendet. Beispielsweise kommen in den EUV-Lithografieanlagen von ASML Lager der Baureihe K180×190×25 mit DLC-Beschichtung (diamantähnlicher Kohlenstoff) zum Einsatz, die den Reibungskoeffizienten auf 0,005 reduzieren.

2. Drehbühnen für Wafer-Inspektionsanlagen

• Anwendungsbeispiel:

Der Drehtisch von Wafer-Fehlerprüfgeräten (z. B. KLA Tencor) muss bei 3.000 U/min eine Ebenheit von ≤10 nm einhalten. Er verwendet zweireihige Zylinderrollenlager der Klasse P4 in NN-Ausführung in Kombination mit Luftstatiklagern (Luftdruck 0,5 MPa) für die berührungslose Schmierung.

IV. Medizinische und optische Instrumente

1. Rotoren von Magnetresonanztomographen (MRT)

• Besondere Anforderungen:

Die supraleitenden Magnetrotoren von MRT-Geräten mit 3 T und mehr drehen sich mit 60–120 U/min und müssen vollständig nichtmagnetisch sein (um Magnetfeldstörungen zu vermeiden). Die Lager bestehen aus Vollkeramik (ZrO2) mit einer Remanenz von ≤10 Gauss und Vibrationsgeräuschen von ≤40 dB (für den Komfort der Patienten).

• Anwendungsbeispiel:

Die Rotorhalterung des Siemens MAGNETOM Vida 3T MRI verwendet selbstschmierende SKF keramische Zylinderrollenlager (poröse Ölspeicherung), die eine wartungsfreie Betriebsdauer von 20.000 Stunden erreichen.

2. Antriebswellen von astronomischen Teleskop-Äquatorialmontierungen

• Präzisionsanzeiger:

Große Radioteleskope (z. B. FAST) erfordern eine Nachführgenauigkeit von ≤0,1 Bogensekunden, wobei das radiale Spiel der Lager auf 1–3 μm geregelt wird. Sie sind mit hochpräzisen Schneckengetrieben gekoppelt, um eine gleichmäßige Drehung mit 0,001°/s zu erreichen.

• Lagerkonfiguration:

Es werden zweireihige Zylinderrollenlager (P2-Klasse) mit Vorspannungskonstruktionen verwendet. Beispielsweise kommen in der äquatorialen Montierung des Keck-Teleskops NSK-Lager der Baureihe NN3040K/P2 in Kombination mit einem Temperaturkompensationssystem (Temperaturregelung ±0,1 °C) zum Einsatz, um thermische Verformungen zu vermeiden.

V. Wichtige Überlegungen bei der Auswahl hochpräziser Zylinderrollenlager