Konstruktionslogik für die Auslegung und Fertigung von Wälzlagergehäusen (Teil 1)

In der kompletten Ausrüstung von Blech- und Bandwalzwerken wird das Lagergehäuse oft fälschlicherweise nur als „Kasten zur Aufnahme der Lager“ betrachtet. Tatsächlich dient es jedoch nicht nur der Aufnahme und Positionierung der Lager, sondern ist auch direkt an der Übertragung der Walzkraft beteiligt, gewährleistet die Steifigkeit des Walzsystems, steuert die Blechformgenauigkeit und sichert die langfristige Betriebssicherheit der Anlage. Für Warm-, Kalt- und Folienwalzanlagen bestehen erhebliche Unterschiede hinsichtlich der Konstruktionsschwerpunkte, der Materialauswahl, der Bearbeitungsgenauigkeit und der Prüfanforderungen an das Lagergehäuse.

1. Das Lagergehäuse ist entsprechend der Funktion der Walzen des Walzwerks zu verstehen.

In der Walzwerkskonstruktion sind an beiden Enden der Walzen Lagergehäuse angebracht, die die Lager aufnehmen und die Walzlast auf das Walzgerüst übertragen. Üblicherweise werden die Lagergehäuse vor Ort anhand zweier Merkmale unterschieden: Zum einen werden sie je nach Walzenfunktion in Arbeitswalzenlager, Zwischenwalzenlager und Stützwalzenlager unterteilt; zum anderen je nach Einbauposition in Oberwalzenlager, Unterwalzenlager, Antriebsseite und Betriebsseite. Daraus ergeben sich präzise Bezeichnungen wie beispielsweise „Arbeitswalzenlager Oberantriebsseite“ und „Stützwalzenlager Unterbetriebsseite“.

Die Bedeutung dieser Klassifizierungsmethode liegt darin, dass verschiedene Walzen unterschiedliche Funktionen erfüllen und sich auch die Lastform, die Walzenwechselfrequenz, die Platzverhältnisse, die Schmiermethoden und die Präzisionsanforderungen an das Lagergehäuse unterscheiden. Daher lässt sich die Konstruktion des Lagergehäuses nicht einfach in Warmwalzen, Kaltwalzen und Folienwalzen unterteilen; vielmehr muss zunächst klar definiert werden, ob es sich um eine Arbeitswalze, eine Zwischenwalze oder eine Stützwalze handelt.

2. Konstruktionsschwerpunkte verschiedener Wälzlagergehäuse

Die Arbeitswalze ist direkt an der Metallumformung beteiligt und weist die höchste Walzenwechselfrequenz sowie die komplexeste dynamische Belastung im Walzensystem auf. Das zugehörige Lagergehäuse der Arbeitswalze muss üblicherweise Wechsellasten, Stoßbelastungen sowie die Steuerkräfte für die Blechformung, wie z. B. Biegen und Verdrehen, aufnehmen. Bei der Konstruktion stehen Dauerfestigkeit, Stoßfestigkeit, Verschleißfestigkeit der Führungsfläche, einfacher Walzenwechsel und die optimale Abstimmung der Schnittstellen mit Biegeblock, Walzenwechselwagen, Verriegelungsvorrichtung und Schmiersystem im Vordergrund.

Die Stützwalze trägt hauptsächlich die Walzkraft, und das Lagergehäuse ist großvolumig und schwer. Es ist ein zentrales tragendes Bauteil im Steifigkeitssystem des Walzwerks. Bei der Konstruktion stehen die statische Gesamtsteifigkeit, die Positioniergenauigkeit der Lagerbohrung und der Fensterfläche, die Zuverlässigkeit der Lagermontage, die Kontrolle von Eigenspannungen und die langfristige Dimensionsstabilität im Vordergrund. Bei großen Warmwalzwerken müssen für das Stützwalzenlagergehäuse zusätzlich Stoßbelastungen, Sicherheitsreserven und die Wartungsfreundlichkeit vor Ort berücksichtigt werden.

Die Zwischenwalze wird hauptsächlich in Sechswalzen-, HC-, UCM- und einigen Mehrwalzenwalzwerken eingesetzt und ist eng mit den Strangwalzen, Biegewalzen und dem Blechformregelungssystem verbunden. Ihr Lagergehäuse ist relativ kompakt, weist komplexe Schnittstellen auf und erfordert hohe Maßgenauigkeit und Bauteilkonsistenz. Im Fokus stehen die Gewährleistung der Führungsgenauigkeit der Strangwalzen, die Kontrolle der Verformung und die optimale Anordnung der Schmier-, Kühl- und Dichtungseinrichtungen.

3. Unterschiede in den Betriebsbedingungen von Lagergehäusen beim Warmwalzen, Kaltwalzen und Folienwalzen

Die wichtigsten Anforderungen an Lagergehäuse für Warmwalzwerke sind Festigkeit, Schlagfestigkeit und Eignung für die heiße Umgebung. Im Warmwalzwerk treten hohe Temperaturen, Oxidschichten, Wasserdampfkorrosion und starke Walzkraftschwankungen auf. Obwohl das Lagergehäuse nicht direkt mit dem warmen Walzrohling in Kontakt kommt, ist es stets diesen widrigen Bedingungen ausgesetzt. Daher sind besondere Sorgfalt und Sicherheit, Verschleißfestigkeit der Kontaktflächen, Dichtheit, Schmiersicherheit und Wartungsfreundlichkeit geboten. Je nach Bauteilgröße, Belastung und Wirtschaftlichkeit der Fertigung können verschiedene Werkstoffe wie Gussstahl, legierter Gussstahl, Sphäroguss oder Schmiedestahl ausgewählt werden. Es ist nicht zulässig, pauschal anzunehmen, dass für einen bestimmten Lagergehäusetyp ein bestimmter Werkstoff erforderlich ist.

Die wichtigsten Anforderungen an das Lagergehäuse für Kaltwalzwerke sind Steifigkeit, Genauigkeit und dynamische Stabilität. Die Kaltwalzgeschwindigkeit ist hoch, und die Anforderungen an Blechform und -dicke sind streng. Geringfügige Verformungen, Spaltänderungen oder Montagefehler des Lagergehäuses können die Walzstabilität und die Produktqualität beeinträchtigen. Die Konstruktion sollte daher die Genauigkeit der Lagerbohrungen, der Fensterführungsflächen, der Positionierflächen und der Schnittstellen zu Biegewalzen, Strangwalzen, AGC usw. berücksichtigen. Gleichzeitig sind die Schwingungsdämpfung im Hochgeschwindigkeitsbetrieb und die Wiederholgenauigkeit der Positioniergenauigkeit nach mehreren Walzenwechseln zu beachten. 

Die wichtigsten Anforderungen an das Lagergehäuse für Folienwalzwerke sind hohe Genauigkeit, geringe Vibration und Formstabilität. Extrem dünne Folien wie Aluminium- und Batteriefolien reagieren äußerst empfindlich auf die Vibrationen des Walzwerks. Selbst geringfügige Vibrationen der Walzen oder lokale Verformungen des Lagergehäuses können Vibrationsmarken, Dickenabweichungen oder Formfehler auf der Folienoberfläche verursachen. Daher muss das Lagergehäuse der Folienwalzmaschine nicht nur Positioniergenauigkeit und Montagegenauigkeit gewährleisten, sondern auch die Dämpfung, die Temperaturregelung, die Schmierung und die Eignung für Reinraumumgebungen berücksichtigen. Einige Hochpräzisionswalzmaschinen können Werkstoffe mit guten Dämpfungseigenschaften wie Sphäroguss verwenden, müssen aber dennoch umfassend hinsichtlich Belastung, Steifigkeit, Kontaktspannung und Kundenvorgaben geprüft werden.

4. Die Materialauswahl kann nicht einfach anhand der Größe der Ladedaten beurteilt werden.

Bei der Auswahl des Werkstoffs für Lagergehäuse geht es im Wesentlichen darum, ein Gleichgewicht zwischen Festigkeit, Steifigkeit, Zähigkeit, Dämpfung, Herstellbarkeit, Kosten und Wartungsfreundlichkeit zu erreichen.

Einige Wälzlagergehäuse bestehen aus Schmiedestahl oder hochwertigem legiertem Stahl, da die Wälzwalzen häufig ausgetauscht werden und starken Stoß- und Wechsellasten ausgesetzt sind. Die Führungs- und Verriegelungsflächen sowie die Lageraufnahmen neigen zu Verschleiß und Materialermüdung. Schmiedestahl zeichnet sich durch hohe Dichte, Zähigkeit und Dauerfestigkeit aus und eignet sich daher für hohe Belastungen, Präzisionsanforderungen oder Stoßbelastungen. Dies bedeutet jedoch nicht, dass alle Wälzlagergehäuse aus Schmiedestahl gefertigt sein müssen. Mittelgroße Walzmaschinen oder Betriebsbedingungen mit weniger strengen Anforderungen können auch Gussstahl, Sphäroguss oder Kombinationskonstruktionen verwenden.

Große Wälzlagergehäuse werden aufgrund ihrer Größe und komplexen Struktur häufig aus Stahlguss oder in großformatigen Gusskonstruktionen gefertigt und können Schmierkanäle, Ölrücklaufkammern und Hebevorrichtungen enthalten. Das Gussverfahren bietet Vorteile bei der Herstellung großer und komplexer Strukturen sowie bei der Kostenkontrolle. Bei Einhaltung der Gussqualität, Wärmebehandlung und Fehlerprüfung werden die Anforderungen an Festigkeit, Steifigkeit und Lebensdauer vollständig erfüllt.

Der Wert von Gusseisen mit Kugelgraphit liegt hauptsächlich in seinen Dämpfungseigenschaften, seiner Gießbarkeit und seiner Dimensionsstabilität. In einigen schwingungsempfindlichen Präzisionswalzmaschinen oder Folienwalzmaschinen kann es als eine der Werkstofflösungen zur Reduzierung der Schwingungsanfälligkeit eingesetzt werden. Allerdings unterscheiden sich Festigkeit, Zähigkeit und Schweißbarkeit von Gusseisen mit Kugelgraphit von denen von Stahl, und es kann nicht einfach durch Stahl ersetzt werden, nur weil es gute Dämpfungseigenschaften aufweist. Eine technische Überprüfung ist weiterhin erforderlich.

5. Die Fertigungsqualität bestimmt die Lebensdauer des Lagergehäuses.

Die Herstellung des Lagergehäuses ist kein einfacher Gieß- oder Bearbeitungsprozess, sondern ein systematischer Konstruktionsprozess, der die Material-, Wärmebehandlungs-, Verarbeitungs-, Inspektions- und Montagestandards einheitlich kontrolliert.

Bei der Rohmaterialprüfung sind die wichtigsten Kontrollpunkte die chemische Zusammensetzung, innere Defekte, Einschlüsse, Schwindung und Porosität sowie Eigenspannungen aus dem Gieß- und Schmiedeprozess. Große Lagergehäuse sollten Qualitätsrisiken durch eine sinnvolle Auslegung von Speisern und Steigern, Erstarrungssimulation, Schmiedeprozessen und Wärmebehandlungssystemen minimieren. Es ist wichtig zu beachten, dass die hohen Reinheitsanforderungen an die Walzenschmelze nicht direkt mit allen Anforderungen an Lagergehäuse gleichzusetzen sind. Spezifische Anforderungen sind auf Basis des Lagergehäusematerials, der Betriebsbedingungen und technischer Vereinbarungen festzulegen.

In der Bearbeitungsphase sind wichtige Kontrollpunkte Lagerbohrungen, Stirnflächen, Fensterführungsflächen, Auskleidungsmontageflächen, Verriegelungsflächen und Schmierlochsysteme. Bei kaltgewalzten und foliengewalzten Lagergehäusen ist zudem auf die Gruppenkonsistenz mehrerer Lagergehäuse zu achten, um eine Abweichung der Walzenachse, anormale Fensterspalte oder Formfehler der Bleche während der Montage zu vermeiden.

In der Inspektionsphase sollten neben routinemäßigen Maßkontrollen zerstörungsfreie Prüfungen, Härteprüfungen, Nachmessungen kritischer Formpositionen und die erforderliche Überprüfung der Probemontage unter Berücksichtigung der Materialarten und Kundenanforderungen durchgeführt werden. Bei Sechs-Walzen-, Zwanzig-Walzen- und High-End-Folienwalzmaschinen besteht ein klarer maßlicher Zusammenhang zwischen Lagergehäuse, Auskleidung, Keil, Führungsschiene und Lagerbaugruppenkomponenten, und die Fehlerakkumulation muss systemtechnisch kontrolliert werden.

6. Vom Teilekauf zum Systemzuverlässigkeitskauf

Wenn ein Lagergehäuse ausfällt, beeinträchtigt dies nicht nur das einzelne Bauteil selbst, sondern kann auch zu Lagerbrand, Wälzkörperüberlastung, Verformung der Lagerplatte, Vibrationen der Walzmaschine, ungeplanten Stillständen und sogar zu Schäden am Rahmen führen. Im Vergleich zum Kaufpreisunterschied sind die durch Stillstände, Reparaturen und Qualitätsmängel verursachten Verluste oft höher.

Daher sollten bei der Beschaffung von Lagergehäusen nicht nur die Stückpreise verglichen werden, sondern auch die Fähigkeiten des Lieferanten zur Designverifizierung, zur Materialkontrolle, zur Wärmebehandlung, zur Präzisionsbearbeitung, zu Inspektionsmethoden und zur Problemlösung im geschlossenen Regelkreis vor Ort bewertet werden. 

Guangwei Precision beschäftigt sich seit Langem intensiv mit der Forschung und Fertigung von Kernkomponenten für metallurgische Anlagen. Wir liefern Lagergehäuse und zugehörige Kernkomponenten für Warm-, Kalt- und Folienwalzanlagen sowie für die Blech- und Bandproduktion. Unser Fokus liegt nicht nur auf der termingerechten Lieferung, sondern auch auf dem langfristig stabilen Betrieb der Lagergehäuse im Walzwerk. Durch sorgfältige Materialauswahl, optimierte Struktur, präzise Bearbeitung, kontinuierliche Prüfverfahren und Feedback aus der Praxis bieten wir unseren Kunden zuverlässigere, langlebigere und praxisorientiertere Lagergehäuse und Lösungen.

Über GW Precision

GW Precision Technology Co., Ltd. ist ein national zertifiziertes Hightech-Unternehmen, das sich seit 2006 auf die Herstellung von Präzisionsstahlspulen spezialisiert hat und zu den traditionsreichsten Stahlspulenherstellern Chinas zählt. Die Spulen von GW Precision Technology eignen sich für Anwendungen zum Wickeln von Aluminium-, Kupfer-, Edelstahl- und Siliziumstahlblechen und -folien und werden weltweit von Kunden in zahlreichen Ländern eingesetzt.

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