Die Hauptwellenmutter des Kegelbrechers, ein wichtiges Befestigungselement an der Ober- oder Unterseite der Hauptwelle, sichert Komponenten wie das Hauptwellenlager, die Exzenterbuchse und den beweglichen Kegel. Zu ihren Hauptfunktionen gehören die axiale Fixierung (Verhinderung von Verschiebungen durch Vibrationen und Belastungen), die Lastübertragung (Verteilung von Axiallasten bis zu mehreren hundert Kilonewton), die Einstellung der Lagervorspannung und der Schutz vor Verunreinigungen.
Strukturell handelt es sich um ein großes Hochleistungsbefestigungselement mit zylindrischem oder sechseckigem Profil, bestehend aus dem Mutternkörper (hochfester legierter Stahl 42CrMo/35CrMo oder Stahlguss ZG35CrMo), Innengewinden (Toleranzklasse 6H, M30–M100, grobe Gewindesteigung), Verriegelungsmechanismen (Verriegelungsschlitze, konische Schnittstelle, Stellschraubenlöcher), Drehmomentangriffsfläche, Dichtungsnut und Schulter/Flansch.
Bei großen Muttern (Außendurchmesser > 300 mm) umfasst der Gussprozess die Materialauswahl (ZG35CrMo), die Modellherstellung (mit Schrumpfungstoleranzen), das Formen (Grünsand oder kunstharzgebundener Sand), das Schmelzen und Gießen (kontrollierte Temperatur und Strömung), das Abkühlen und Ausschalen sowie die Wärmebehandlung (Normalisierung und Anlassen). Der Bearbeitungsprozess umfasst die Grobbearbeitung, die Gewindebearbeitung, die Bearbeitung der Sicherungselemente, die Wärmebehandlung zum Härten (induktionsgehärtete Gewinde auf HRC 45–50), die Endbearbeitung und die Oberflächenbehandlung.
Die Qualitätskontrolle umfasst Materialprüfungen (chemische Zusammensetzung und Härte), Maßprüfungen (KMG und Gewindelehren), Strukturintegritätsprüfungen (MPT und UT), Funktionsprüfungen (Drehmoment- und Vibrationstests) sowie Dichtungsprüfungen. Diese gewährleisten eine zuverlässige Fixierung der Hauptwellenmutter und damit einen stabilen Betrieb des Kegelbrechers auch bei hoher Belastung und starken Vibrationen.
Detaillierte Einführung in die Hauptwellenmutterkomponente des Kegelbrechers
1. Funktion und Rolle der Hauptwellenmutter
Die Hauptwellenmutter (auch Spindelmutter oder Wellenhaltemutter genannt) ist ein wichtiges Befestigungselement am oberen oder unteren Ende der Hauptwelle. Sie dient der Sicherung wichtiger Komponenten wie Hauptwellenlager, Exzenterbuchse oder beweglicher Kegel. Zu ihren Hauptfunktionen gehören:
Axiale Fixierung: Verriegelung der Hauptwelle an der Exzenterbuchse oder dem Lagergehäuse, wodurch eine axiale Verschiebung durch hochfrequente Vibrationen und wechselnde Belastungen beim Zerkleinern verhindert wird.
Lastübertragung: Verteilung axialer Belastungen (bis zu Hunderten von Kilonewton) vom beweglichen Kegel und der Hauptwelle auf das Lagersystem, wodurch eine ausgewogene Kraftübertragung gewährleistet wird.
Einstellung der Lagervorspannung: Durch das Arbeiten mit Passscheiben oder Unterlegscheiben wird die optimale Vorspannung für das Hauptwellenlager eingestellt, das Spiel reduziert und die Rotationsstabilität verbessert.
Kontaminationsprävention: Erstellen einer Abdichtung mit der Hauptwelle und angrenzenden Komponenten, um das Eindringen von Staub, Erzpartikeln und Feuchtigkeit in das Lagersystem zu verhindern und so die Lebensdauer zu verlängern.
Aufgrund ihrer Rolle in Umgebungen mit hoher Belastung und starken Vibrationen muss die Hauptwellenmutter eine hohe Zugfestigkeit, Schlagfestigkeit und ein sicheres Lösen aufweisen.
2. Zusammensetzung und Aufbau der Hauptwellenmutter
Die Hauptwellenmutter ist ein großes, hochbelastbares Befestigungselement mit zylindrischem oder sechseckigem Profil und weist die folgenden Hauptkomponenten und Strukturdetails auf:
Mutternkörper: Der Hauptstrukturabschnitt besteht typischerweise aus hochfestem legiertem Stahl (z. B. 42CrMo oder 35CrMo) und ist massiv oder hohl. Sein Außendurchmesser reicht von 150 mm bis 600 mm, die Wandstärke beträgt je nach Brechermodell 20–50 mm.
Innengewinde: Präzisionsgefertigte Gewinde (metrisch oder Zoll), die mit den Außengewinden der Hauptwelle zusammenpassen. Die Gewinde haben oft eine grobe Steigung (M30–M100), um hohe axiale Belastungen aufzunehmen, und eine Toleranz der Klasse 6H für festen Sitz.
Verriegelungsmechanismus: Funktionen zur Verhinderung des Lösens bei Vibrationen, wie zum Beispiel:
Verriegelungsschlitze: Umfangsnuten auf der Außenfläche der Mutter, die mit den Verriegelungsbolzen an der Exzenterbuchse ausgerichtet sind und die Drehung einschränken.
Konische Schnittstelle: Ein konischer Sitz an einem Ende, der mit einer entsprechenden Verjüngung an der Hauptwelle oder dem Lager zusammenpasst und so den Halt unter Last verbessert.
Stellschraubenlöcher: Radiale Gewindebohrungen für Stellschrauben, die gegen die Hauptwelle drücken und so eine reibungsbasierte Verriegelung erzeugen.
Drehmoment-Anwendungsfläche: Ein sechseckiges Außenprofil oder ein Vierkantantrieb auf der Oberseite, wodurch beim Ein- und Ausbau ein Drehmoment über einen Schraubenschlüssel oder ein Hydraulikwerkzeug ausgeübt werden kann.
Dichtungsnut: Eine umlaufende Nut auf der Innen- oder Außenfläche, die einen O-Ring oder eine Dichtung aufnimmt und so die Abdichtung mit benachbarten Komponenten verbessert.
Schulter oder Flansch: Ein radialer Vorsprung an einem Ende, der als Anschlag dient, die Einstecktiefe der Mutter begrenzt und die richtige Positionierung relativ zum Lager sicherstellt.
3. Gießprozess für die Hauptwellenmutter
Für große Hauptwellenmuttern (Außendurchmesser 300 mm) ist das Gießen ein effizientes Herstellungsverfahren, um komplexe Formen zu erreichen:
Materialauswahl:
Hochfester Stahlguss (ZG35CrMo) wird aufgrund seiner hervorragenden mechanischen Eigenschaften bevorzugt: Zugfestigkeit ≥700 MPa, Streckgrenze ≥500 MPa und Schlagzähigkeit ≥35 J/cm². Er bietet eine gute Bearbeitbarkeit und Härtbarkeit und eignet sich für tragende Anwendungen.
Musterherstellung:
Aus Holz, Schaumstoff oder 3D-gedrucktem Harz wird ein Präzisionsmuster erstellt, das den Außendurchmesser der Mutter, das Innengewinde (vereinfacht), die Verriegelungsfunktionen und den Flansch nachbildet. Schrumpfungstoleranzen (1,5–2 %) werden hinzugefügt, wobei für dickwandige Abschnitte größere Toleranzen gelten.
Das Muster umfasst einen Kern zur Bildung der Innenbohrung, wodurch die Maßgenauigkeit des Gewindegrunddurchmessers gewährleistet wird.
Formen:
Eine Form aus Grünsand oder kunstharzgebundenem Sand wird vorbereitet. Das Modell wird so positioniert, dass es die äußere Form und den Kern für die Innenbohrung bildet. Der Formhohlraum wird mit einer feuerfesten Schlichte beschichtet, um die Oberflächenbeschaffenheit zu verbessern und Sandeinschlüsse zu verhindern.
Schmelzen und Gießen:
Der Gussstahl wird in einem Lichtbogenofen bei 1520–1560 °C geschmolzen, wobei die chemische Zusammensetzung auf 0,32–0,40 % C, 0,8–1,1 % Cr und 0,15–0,25 % Mo kontrolliert wird, um Festigkeit und Zähigkeit auszugleichen.
Das Gießen erfolgt bei 1480–1520 °C mit einer Schöpfkelle und einer gleichmäßigen Fließgeschwindigkeit, um Turbulenzen zu vermeiden und eine vollständige Füllung der Form sicherzustellen, insbesondere bei komplizierten Verriegelungsfunktionen.
Abkühlen und Ausschütteln:
Das Gussteil wird 48–72 Stunden in der Form gekühlt, um die thermische Spannung zu reduzieren, und anschließend durch Vibration entfernt. Sandrückstände werden durch Kugelstrahlen (G25-Stahlkorn) entfernt, wodurch eine Oberflächenrauheit von Ra25–50 μm erreicht wird.
Wärmebehandlung:
Durch Normalisierung (850–900 °C, luftgekühlt) wird die Kornstruktur verfeinert, gefolgt von Anlassen (600–650 °C), um die Härte auf 180–230 HBW zu reduzieren und die Bearbeitbarkeit zu verbessern.
4. Bearbeitungs- und Herstellungsprozess
Schruppbearbeitung:
Der Gussrohling wird auf einer CNC-Drehmaschine montiert, um den Außendurchmesser, die Flanschfläche sowie die Ober- und Unterseite zu bearbeiten. Dabei wird eine Nachbearbeitungstoleranz von 2–3 mm eingehalten. Wichtige Abmessungen (z. B. Mutternhöhe, Flanschdicke) werden auf ±0,2 mm kontrolliert.
Gewindebearbeitung:
Die Innengewinde werden mit einem Gewindebohrer oder einer CNC-Gewindefräsmaschine grob geschnitten, wobei darauf zu achten ist, dass der Flankendurchmesser maximal 0,5 mm vom Enddurchmesser abweicht. Bei großen Muttern wird das Gewindeprofil mit einem Einschneidwerkzeug erstellt.
Bearbeitung von Verriegelungsfunktionen:
Mithilfe einer CNC-Fräsmaschine werden Verriegelungsschlitze in die Außenfläche gefräst, mit Tiefentoleranz (±0,1 mm) und gleichmäßigem Abstand (±0,5 mm) um den Umfang der Mutter.
Die Löcher für die Stellschrauben werden mit einer Toleranz der Klasse 6H gebohrt und mit Gewinde versehen, wobei eine Rechtwinkligkeit (±0,1 mm/100 mm) zur Achse der Mutter gewährleistet ist, um einen ordnungsgemäßen Eingriff mit der Hauptwelle zu gewährleisten.
Wärmebehandlung zum Härten:
Die Gewindeoberflächen und tragenden Bereiche der Mutter werden bis zu einer Tiefe von 1–3 mm induktionsgehärtet, wodurch eine Oberflächenhärte von 45–50 HRC erreicht wird, um die Verschleißfestigkeit und Gewindefestigkeit zu verbessern.
Durch das Anlassen bei 200–250 °C werden Restspannungen abgebaut und Risse bei der Endbearbeitung vermieden.
Fertigbearbeitung:
Die Innengewinde werden mit einem Präzisionsgewindebohrer oder einer Präzisions-Gewindeschleifmaschine auf die Toleranzklasse 6H fertig bearbeitet, um glatte Gewindeflanken und den richtigen Teilkreisdurchmesser für eine ordnungsgemäße Verbindung mit der Hauptwelle sicherzustellen.
Die konische Schnittstelle (sofern vorhanden) ist auf eine Winkeltoleranz (±0,1°) und eine Oberflächenrauheit von Ra1,6 μm geschliffen, wodurch eine dichte Abdichtung mit der Hauptwelle gewährleistet wird.
Die Drehmomentangriffsfläche (Sechskantprofil) ist fertig bearbeitet, um eine Ebenheit (≤0,05 mm/m) und Maßtoleranz (±0,1 mm) für einen sicheren Schlüsseleingriff zu erreichen.
Oberflächenbehandlung:
Die Außenfläche der Mutter ist mit Rostschutzfarbe oder einer Zinkbeschichtung (5–8 μm dick) beschichtet, um Korrosion zu verhindern. Die Gewinde sind mit einem Festfressen verhindernden Mittel auf Molybdändisulfidbasis behandelt, um die Montage zu erleichtern und Festfressen zu verhindern.
5. Qualitätskontrollprozesse
Materialprüfung:
Die Analyse der chemischen Zusammensetzung (Spektrometrie) bestätigt, dass die Legierung den Standards entspricht (z. B. ZG35CrMo: C 0,32–0,40 %, Cr 0,8–1,1 %).
Durch Härteprüfungen (Rockwell) wird sichergestellt, dass die Gewindeoberflächen eine Härte von 45–50 HRC aufweisen, während die Kernhärte für Zähigkeit bei 25–35 HRC liegt.
Maßgenauigkeitsprüfungen:
Eine Koordinatenmessmaschine (KMG) prüft wichtige Parameter: Gewindesteigungsdurchmesser (±0,03 mm), Außendurchmesser (±0,1 mm) und Positionen der Verriegelungsschlitze.
Gewindelehren (Ringlehren) überprüfen die Passung mit den Gewinden der Hauptwelle und gewährleisten ein reibungsloses Eingreifen ohne übermäßiges Spiel oder Klemmen.
Strukturelle Integritätsprüfung:
Durch die Magnetpulverprüfung (MPT) werden Oberflächenrisse in Gewinden, Verriegelungsschlitzen und Flanschwurzeln erkannt. Defekte mit einer Länge von weniger als 0,5 mm führen zur Ablehnung.
Bei großen Muttern wird eine Ultraschallprüfung (UT) durchgeführt, um sie auf innere Defekte (z. B. Schrumpfporen) in tragenden Bereichen zu prüfen.
Funktionstests:
Drehmomentprüfung: Die Mutter wird auf einer Testhauptwelle installiert und mit 120 % des Nenndrehmoments angezogen. Bei der Kontrolle nach dem Test wird keine Verformung oder Ablösung des Gewindes festgestellt.
Vibrationsprüfung: Die Mutter wird 2 Stunden lang einer Vibration von 10–500 Hz ausgesetzt, wobei mit einem Drehmomentschlüssel keine messbare Lockerung (≤0,01 mm Drehung) festgestellt werden kann.
Dichtungsleistungsprüfung:
Bei Muttern mit Dichtungsnuten wird ein O-Ring eingebaut und die Baugruppe wird einem Drucktest mit Luft (0,2 MPa) unterzogen, um sicherzustellen, dass keine Leckagen auftreten und somit eine wirksame Kontaminationsvermeidung gewährleistet ist.
Durch diese Fertigungs- und Qualitätskontrollprozesse erreicht die Hauptwellenmutter die Festigkeit, Präzision und Zuverlässigkeit, die zur Sicherung kritischer Komponenten des Kegelbrechers erforderlich sind, und gewährleistet einen stabilen Betrieb unter schweren Lasten und starken Vibrationen im Bergbau und bei der Verarbeitung von Zuschlagstoffen.
