Erweiterung der Lebensdauertheorie durch Korrelation des Verschleißes mit Acoustic Emission (AE) zu den mechanischen Kennwerten des Kugelgewindetriebes

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jürgen Fleischer
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 388141462

Als wesentliches Antriebselement in Vorschubachsen werden Kugelgewindetriebe derzeit in der überwiegenden Zahl aller produzierenden, spanenden Werkzeugmaschinen eingesetzt. Jedoch zeigt sich, dass die Auslegung des Kugelgewindetriebes auf Basis der Ermüdung nach der DIN 3408 nicht ausreichend ist, um die Verfügbarkeit des KGT abzusichern. Dies liegt zum einen an der Unkenntnis der wie zeitlich wirksamen Verschleißmechanismen und deren Korrelation zu den Verschleißkennwerten, wie beispielsweise der Steifigkeitskennlinie und der Mutternvorspannung des KGT. Der Kugelgewindetrieb unterliegt auf Grund einer schraubenförmigen Bewegungsbahn der Kugel, sowie dem Kugelrückführprozess komplexen kombinierten Verschleißmechanismen aus Abrasion, Adhäsion und Oberflächenzerrüttung. Diese führen zu spezifischen Schadensformen, welche die Gebrauchs- und Lebensdauer unterschiedlich stark beeinflussen. Bisherige Untersuchungsmethoden zur Zustandsüberwachung von Kugelgewindetrieben fokussieren nur auf einzelne Verschleißkennwerte und Verschleißmechanismen. Eine ganzheitliche Korrelation der Verschleißmechanismen, deren Erscheinungsformen (bspw. Pittingbildung) mit den Verschleißkennwerten ist nach heutigem Stand der Technik nicht erfolgt. Acoustic Emission bietet aufgrund der größeren Informationsdichte, welche zu einer besseren Merkmalsdifferentiation im Frequenzbereich führt und dem Ausnutzen mikroskopischer und werkstoffeigener Effekte das Potenzial, Verschleißmechanismen bereits bei der Entstehung zu identifizieren. Dies erfolgt beispielsweise bereits bei der Zustandsdiagnose im Bereich von Getrieben und Wälzlagern. Daher ist Ziel des beantragten Forschungsvorhabens in einem ganzheitlichen Ansatz die Verschleißerscheinungsformen, die Verschleißkennwerte und die Verschleißmechanismen zu korrelieren, um über eine zeitliche Korrelation des Verschleißes mit Acoustic Emission zu den mechanischen Kennwerten des Kugelgewindetriebes auf die wirksamen Verschleißmechanismen zurückzuschließen. Als Verschleißkennwerte werden der Körperschall, die Temperatur, das Reibmoment, die Muttervorspannung sowie die Steifigkeitskennlinie erfasst. Des Weiteren wird mit Acoustic Emission ein kontinuierliches, detailliertes Abbild vom Schadensverlauf identifiziert. Durch die Ermittlung der statischen und dynamischen Eigenschaften des KGT in Abhängigkeit vom Verschleißfortschritt sowie die Kenntnis der zeitlichen Abfolge der Verschleißmechanismen soll eine Erweiterung der Gebrauchs- und Lebensdauertheorie erfolgen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen