So optimieren Sie Größe und Dichte der Graphitstifte, um die Lebensdauer von Bronze-Verschleißplatten zu maximieren
Ein Werkzeugbau-Konstrukteur aus einem deutschen Automobil-Stanzwerk rief wegen vorzeitigem Verschleiß an einem Satz C95400-Bronze-Verschleißplatten in einem Folgeschnittwerkzeug an. Die Platten hatten 4-mm-Graphitstifte bei 20 Prozent Dichte. Das Werkzeug lief mit 200.000 Hüben pro Monat. Nach 12 Monaten waren die Stifte vollständig verbraucht und die Bronzeoberfläche verschweißte kalt an den Stahlschlitten. Er fragte: „Soll ich größere Stifte verwenden oder mehr Stifte?“
Die Lösung ist in vielen Fällen ein direkter Nachrüstsatz: Ersetzen Sie die Stahlplatten durch graphitgefüllte Bronze-Verschleißplatten derselben NAAMS-Größe.
Die kurze Antwort lautet: beides – aber die richtige Kombination hängt von drei Variablen ab: Stiftdurchmesser, Oberflächenabdeckungsdichte und Stifttiefe. Die Graphitstiftkonfiguration in einer Bronze-Verschleißplatte ist ein konstruierter Kompromiss zwischen Schmierstoffnachschub und struktureller Festigkeit. Wird sie richtig gewählt, verdoppelt sie die Lebensdauer gegenüber einer Standardkonfiguration.
Die drei Variablen der Graphitstiftkonfiguration
Graphitstifte in einer Bronze-Verschleißplatte erfüllen eine einzige Funktion: Sie versorgen die Gleitschnittstelle kontinuierlich mit einer Schicht Festschmierstoff. Während sich die Platte bewegt, überträgt sich Graphit von den Stiften auf die Gegenfläche und bildet einen dünnen Film, der Metall-auf-Metall-Kontakt verhindert. Die Stiftkonfiguration bestimmt, wie lange dieser Schmierstoffvorrat reicht und wie gleichmäßig er über die Gleitfläche verteilt wird.
Die drei Variablen sind Stiftdurchmesser, Oberflächenabdeckungsdichte und Stifttiefe.
Der Stiftdurchmesser steuert das pro Stift verfügbare Graphitvolumen. Ein 4-mm-Stift enthält bei gleicher Tiefe nur 16 Prozent des Volumens eines 8-mm-Stifts. Größere Stifte bieten mehr Schmierstoffreserve, reduzieren aber die Bronzefläche, die die Last tragen kann.
Die Oberflächenabdeckungsdichte ist der Prozentsatz der Verschleißplattenfläche, der von Graphit eingenommen wird. Der Technische Leitfaden von Tocree zu Graphit-Bronze-Verschleißplatten nennt einen optimalen Abdeckungsbereich von 20 bis 35 Prozent. Der Best-Practice-Leitfaden von Bronzebush für Walzwerkslager spezifiziert 28 bis 30 Prozent Abdeckung mit hochdichtem Graphit. Bronzeoilless veröffentlicht einen größeren Bereich von 25 bis 45 Prozent.
Die Stifttiefe bestimmt das gesamte Schmierstoffvolumen und damit die Lebensdauer. Die Standardstifttiefe beträgt 6 bis 12 mm für Verschleißplatten mit 15 bis 25 mm Dicke. Die minimale verbleibende Bronzedicke unterhalb des Stiftbodens sollte für die strukturelle Integrität 4 mm betragen.
Der Enduralube-Prozess von National Bronze presst Graphit unter extremem Druck in die gebohrten Löcher und stellt sicher, dass der Graphit die volle Tiefe des Lochs ohne Hohlräume füllt. Dieses mechanische Einpressverfahren erzeugt eine bessere Stiftdichte und Gleichmäßigkeit als schwerkraftgespeiste oder los gepaßte Graphitstäbe.
Den Stiftdurchmesser nach Plattendicke und Last wählen
Der Stiftdurchmesser sollte sich an der Verschleißplattendicke orientieren. Eine durch die Industriepraxis etablierte Faustregel besagt, dass der Stiftdurchmesser 40 bis 60 Prozent der Plattendicke betragen sollte.
Für eine 10 mm dicke Verschleißplatte verwenden Sie Stifte mit 4 bis 6 mm Durchmesser. Für eine 20 mm dicke Platte verwenden Sie Stifte mit 8 bis 12 mm Durchmesser. Für eine 25 mm dicke Platte verwenden Sie Stifte mit 10 bis 14 mm Durchmesser.
Für Hochlastanwendungen mit einer Lagerpressung über 30 MPa verwenden Sie das obere Ende des Durchmesserbereichs. Die größeren Stifte verteilen den Graphitübertragungsfilm über eine größere Fläche und reduzieren so die Spitzenspannung auf dem Bronze zwischen den Stiften.
Die Best-Practice-Empfehlung von Bronzebush für Hochtemperatur-Walzwerkslager sind Stifte mit 8 bis 12 mm Durchmesser aus hochdichtem Graphit mit einer Mindestdichte von 1,75 g/cm³. Kleinere Stifte unter 6 mm Durchmesser werden für schwere Industrieanwendungen nicht empfohlen, weil das Graphitvolumen pro Stift zu klein ist, um zwischen den Wartungsintervallen einen ausreichenden Schmierstoffnachschub zu gewährleisten.
Der Abstand zwischen den Stiften sollte das 1,5- bis 2,5-fache des Stiftdurchmessers betragen, von Mitte zu Mitte. Ein engerer Abstand reduziert den Bronze-Steg zwischen den Stiften unter das empfohlene Minimum von 3 mm, was unter Last zu Rissen im Bronze führen kann. Ein größerer Abstand erzeugt Lücken im Schmierfilm, die zu lokalem Kaltverschweißen führen.
Die Stiftdichte nach Arbeitstakt und Gleitgeschwindigkeit festlegen
Die Oberflächenabdeckungsdichte – der Prozentsatz der Verschleißplattenfläche, der von Graphit eingenommen wird – ist der wichtigste Einzelfaktor für die Lebensdauer der Platte.
Für Leichtlastanwendungen mit geringer Last und Gleitgeschwindigkeiten unter 0,1 m/s reicht eine Graphitabdeckung von 20 bis 25 Prozent. Zu diesen Anwendungen gehören Werkzeugschrägen, Führungsschienen in Verpackungsmaschinen und leichte Fördersysteme.
Für Mittellastanwendungen mit mäßiger Last und Gleitgeschwindigkeiten von 0,1 bis 0,5 m/s ist eine Abdeckung von 25 bis 35 Prozent der Standardbereich. Das deckt die meisten industriellen Verschleißplattenanwendungen ab, darunter Presswerkzeugführungen, Schlitten von Spritzgießmaschinen und Verschleißleisten schwerer Förderanlagen.
Für Schwerlastanwendungen mit hoher Last über 30 MPa oder Gleitgeschwindigkeiten über 0,5 m/s werden 35 bis 45 Prozent Abdeckung empfohlen. Dazu gehören Walzwerksführungen, Gleitplatten von Offshore-Kranen und große Pressleisten.
Die praktische Grenze liegt bei 45 Prozent Abdeckung. Darüber hinaus wird die Bronze-Matrix zwischen den Stiften zu schmal, um die strukturelle Last zu tragen. Der Steg zwischen benachbarten Stiften fällt unter 3 mm, und die Platte kann unter Stoß oder hoher statischer Last brechen. Tocree warnt ausdrücklich davor, dass eine Graphitabdeckung über 50 Prozent die Tragfähigkeit der Bronze-Basis gefährdet.
Der Arbeitstakt beeinflusst auch die erforderliche Stifttiefe. Bei gleicher Abdeckungsdichte liefern tiefere Stifte mehr Schmierstoffvolumen und eine längere Lebensdauer. Ein Standardstift von 8 mm Tiefe bei 30 Prozent Abdeckung bietet bei 0,3 m/s Gleitgeschwindigkeit etwa 5.000 Stunden Gleitlebensdauer, bevor der Graphit zu 50 Prozent verbraucht ist.
Ein realer Fall: Eine Verschleißplatte für ein Folgeschnittwerkzeug, ursprünglich mit 20 Prozent Abdeckung und 4-mm-Stiften spezifiziert, hielt 12 Monate. Nach der Neukonstruktion auf 35 Prozent Abdeckung mit 8-mm-Stiften bei gleicher Stifttiefe verlängerte sich das Austauschintervall auf 36 Monate. Das zusätzliche Graphitvolumen war das 3,5-fache des ursprünglichen – passend zur Verbesserung der Lebensdauer.
Das Stiftmuster relativ zur Gleitrichtung ausrichten
Die Anordnung der Graphitstifte über die Verschleißplattenfläche bestimmt, wie gleichmäßig der Schmierfilm verteilt wird. Drei Mustertypen werden üblicherweise verwendet.
Das versetzte Gittermuster ist der Standard für die meisten Anwendungen. Die Stifte sind in versetzten Reihen angeordnet, wobei jede Reihe um den halben Stiftabstand versetzt ist. Dadurch wird sichergestellt, dass jeder Punkt der Gleitfläche in regelmäßigen Abständen über einen Graphitstift läuft. Für zweiseitiges Gleiten – den häufigsten Fall – liefert das versetzte Gitter in beide Richtungen eine gleichmäßige Schmierung.
Das gerade Gittermuster hat Stifte, die in Zeilen und Spalten ausgerichtet sind. Dieses Muster eignet sich nur für einseitiges Gleiten, weil die Zwischenräume zwischen den Reihen in Gleitrichtung unbedeckte Streifen auf der Gegenfläche erzeugen. Das gerade Gitter wird im modernen Verschleißplattendesign nur noch selten verwendet.
Das kundenspezifische Muster mit höherer Dichte in der Hochlastzone wird für Anwendungen verwendet, bei denen die Last nicht gleichmäßig über die Plattenfläche verteilt ist. Beispielsweise kann eine Werkzeugführungsschiene, die an der Einlaufseite höherem Druck ausgesetzt ist, auf der Einlaufhälfte 40 Prozent Graphitabdeckung und auf der Auslaufhälfte 25 Prozent aufweisen.
Die Gleitrichtung muss immer senkrecht zu den Stiftreihen verlaufen. Das bedeutet: Bei einer vertikalen Gleitanwendung sollten die Stiftreihen horizontal verlaufen. Die technische Dokumentation von Bearingface betont, dass das Stiftmuster auf Basis der Bewegungsrichtung konstruiert wird – nicht zufällig platziert.
Die Graphitsorte für die Betriebsumgebung auswählen
Nicht jeder Graphit ist gleich. Die bei der Stiftherstellung verwendete Graphitsorte beeinflusst direkt die Qualität des Schmierfilms, die Verschleißrate und den zulässigen Betriebstemperaturbereich.
Die Standardsorte Elektrographit mit einer Dichte von 1,70 bis 1,80 g/cm³ eignet sich für die meisten industriellen Anwendungen bis 250 °C. Sie bildet einen gleichmäßigen Übertragungsfilm mit einem Reibungskoeffizienten von 0,08 bis 0,12 gegen polierten Stahl.
Hochdichter Elektrographit mit 1,80 bis 1,90 g/cm³ wird für Hochlastanwendungen über 30 MPa und für verlängerte Lebensdauer empfohlen. Die höhere Dichte reduziert die Graphitverbrauchsrate gegenüber der Standardsorte um 20 bis 30 Prozent. Bronzebush spezifiziert für Walzwerkslager eine Mindestdichte von 1,75 g/cm³.
Für Lebensmittelkontaktanwendungen spezifizieren Sie FDA-konformen Graphit mit einem Aschegehalt unter 0,1 Prozent und ohne Zusätze von Schwermetallen. Tocree bestätigt, dass FDA-konforme Graphitsorten für direkten Lebensmittelkontakt verfügbar sind.
Für Hochtemperaturanwendungen über 250 °C ist Graphit mit Oxidationsinhibitoren erforderlich. Standardgraphit oxidiert an Luft oberhalb von 427 °C, wandelt sich zu Kohlendioxid um und verliert seine Schmierfähigkeit. Graphit mit zugesetzten Oxidationsinhibitoren erweitert den nutzbaren Temperaturbereich auf 600 °C.
Auch die Reinheit des Graphits ist wichtig. Hochreiner Graphit mit einem Aschegehalt unter 0,5 Prozent erzeugt weniger abrasiven Verschleißabrieb als minderwertige Sorten. Der Aschegehalt trägt direkt zum abrasiven Dreikörper-Verschleiß zwischen Platte und Gegenfläche bei. Für Präzisionsanwendungen, bei denen enge Maßtoleranzen eingehalten werden müssen, spezifizieren Sie Graphit mit einem Aschegehalt unter 0,3 Prozent.
FAQ
Kann ich die Graphitstiftdichte einer vorhandenen Verschleißplatte erhöhen?
Nein. Stiftmuster und Dichte werden im Fertigungsstadium festgelegt. Die Löcher werden gebohrt und der Graphit unter hohem Druck eingepresst. Das Nachrüsten zusätzlicher Stifte in eine vorhandene Platte würde das Bohren durch die verbleibende Bronze erfordern, was die strukturelle Integrität der Platte beeinträchtigt.
Wie groß ist die Mindestwandstärke zwischen Graphitstiften?
Die Mindestwandstärke aus Bronze zwischen benachbarten Stiften sollte 3 mm betragen. Darunter kann der Bronze-Steg unter Last reißen, wodurch sich die Stifte lockern und herausfallen. Die Wandstärke ergibt sich aus dem Mittenabstand minus dem Stiftdurchmesser.
Halten größere Stifte immer länger als kleinere?
Ja, bei gleichem Abdeckungsprozentsatz liefern größere Stifte mehr Graphitvolumen pro Stift, weil das Volumen mit dem Quadrat des Durchmessers skaliert. Ein 8-mm-Stift bei 30 Prozent Abdeckung hat das Vierfache des Graphitvolumens eines 4-mm-Stifts bei gleicher Abdeckung. Der Stiftdurchmesser ist jedoch durch die Plattendicke begrenzt.
Wie wirkt sich die Ausrichtung der Graphitstifte auf die Leistung aus?
Die Graphitstifte müssen so angeordnet sein, dass die Gleitrichtung die Stiftreihen senkrecht kreuzt. Verläuft die Gleitrichtung parallel zu den Stiftreihen, weist der Graphitfilm ungeschmierte Streifen auf, die zu lokalem Kaltverschweißen und vorzeitigem Verschleiß führen.
Was passiert, wenn ich Graphit mit zu geringer Dichte verwende?
Graphit mit geringer Dichte (unter 1,60 g/cm³) ist porös und verschleißt schnell. Er erzeugt außerdem mehr abrasiven Staub, weil sich die Graphitpartikel leichter lösen. Die Lebensdauer kann 40 bis 60 Prozent kürzer sein als bei Graphit mit Standarddichte. Spezifizieren Sie die Graphitdichte immer in der Bestellspezifikation.
