Kugelgewindetriebe für Einsätze im Maschinenbau, bei denen Genauigkeit zählt

Aufbau von Kugelgewindetrieben

Kugelgewindetriebe bestehen im Wesentlichen aus einer Spindel, einer Mutter und einer größeren Anzahl Kugeln. Die Kugeln stellen die Verbindung zwischen der Spindel und der Mutter her und werden als kraft- und bewegungsübertragende Wälzkörper genutzt. In den Gewindeumläufen auf der Spindel und in der Mutter wälzen die rollenden Kugeln mit höchster Laufgüte sehr präzise ab.

Kugelgewindetriebe sind primär für die sichere Übertragung axialer Kräfte ausgelegt. Deren Kraftverlauf erfolgt über die Wirkrichtung der Drucklinien durch die Kugeln. Bei der O-Anordnung der Kugeln verlaufen sie mit der Spitze nach außen und bei der X-Anordnung nach innen. Die Wirkrichtung der Drucklinien ist nicht ausschließlich für den Kraftfluss, sondern ebenfalls für die Erzeugung der Vorspannung von Bedeutung.

Dynamik und Präzision von Kugelgewindetrieben

Kugelgewindetriebe bilden gemeinsam mit deren Lagerstellen und den Antriebselementen hochbelastbare, sehr dynamische und äußerst genaue Antriebseinheiten, um z. B. die Vorschubbewegungen von Werkzeugmaschinen zu erzeugen. Wegen der hohen Belastbarkeit und der enormen Präzision haben sie sich über Jahrzehnte hervorragend bewährt und sind auch heute ein sehr innovatives Maschinenelement mit Zukunft.

Kugeln und Kugelrückführsysteme

Die räumliche Anordnung der Kugeln entspricht der einer endlosen Kette. Sie bildet sich also nicht nur in den Gewindeumläufen aus, sondern auch in der Kugelrückführung, durch die die Kugeln, vom Endpunkt der Kontaktbewegung zwischen der Spindel und der Mutter, axial zum Startpunkt zurückgeführt werden müssen. Als Kugelrückführsysteme haben sich in der Praxis unterschiedliche Grundprinzipien in diversen Ausführungsvarianten (z. B. externe und interne Rückführung mit Gesamt-, Einzelgang- oder Röhrchenumlenkung) bewährt. Da jede Kugelrückführung Vor- und Nachteile hat, ist die richtige anwendungsgerechte Auswahl besonders wichtig, um die größtmöglichste Realisierung der Anforderungen und die optimalste Funktionalität zu erreichen.

Zwei Grundprinzipien: Angetriebene Mutter oder angetriebene Spindel

Kugelgewindetriebe werden nach dem Bauteil, das die Drehbewegung einleitet, in zwei konstruktive Grundprinzipien unterteilt:

Die meisten Kugelgewindetriebe werden mit einer angetriebenen Spindel ausgeführt. Die Rotation der Spindel wird dann in eine lineare Verschiebebewegung der Mutter relativ zur Spindel umgewandelt. Diese Ausführung wird auch als Normalkonfiguration bezeichnet.

Je nach Aufgabenstellung kann unter Umständen die Ausführungsvariante mit angetriebener Mutter vorteilhafter sein. Die drehende Antriebsbewegung der Mutter wird hierbei in eine translatorische Bewegung der Spindel relativ zur Mutter umgewandelt. Im Vergleich zu angetriebenen Spindeln können mit angetriebenen Muttern längere Verfahrwege, höhere Drehzahlen und somit auch höhere Verfahrgeschwindigkeiten realisiert werden. Außerdem besteht die Möglichkeit mehrere Muttern auf einer Spindel zu platzieren und diese, mit separaten Antrieben, einzeln zu verfahren.

In beiden Fällen (angetriebene Spindeln und angetriebene Muttern) besteht grundsätzlich die konstruktive Möglichkeit, entweder die Mutter oder die Spindel linear zu bewegen.

Die Ausführung, bei der sowohl die Spindel als auch die Mutter angetrieben werden, ist grundsätzlich ebenfalls möglich und kann unter bestimmten Voraussetzungen durchaus sinnvoll sein. Über die Drehrichtung der beiden Bauteile kommt es dann zu einer Addition oder einer Differenzbildung (Subtraktion) der einzelnen Verschiebebewegungen. In der Praxis kommt diese Variante allerdings relativ selten vor.

Konstruktion von Kugelgewindetrieben

Die konstruktive Gestaltung des Kugelgewindetriebes ist sehr vielfältig. Sie richtet sich nach den Anforderungen und besonders nach den vorliegenden Einbaubedingungen. Kugelgewindetriebe können mit Einzel- oder Doppelmuttern, zylindrisch oder mit Flanschbefestigungen, mit unterschiedlichsten Kugelrückführsystemen und Abstreifern, eingängig oder mehrgängig und mit diversen Sonderausstattungen ausgeführt werden. In der DIN ISO 3408 ist die Ausführungsvariante mit Seitenflansch definiert.

Kugelgewindetriebe können bei fast allen Ausführungen mit Spiel behaftet oder spielfrei vorgespannt sein. Durch die Vorspannung werden die Präzision, die Steifigkeit und das dynamische Verhalten verbessert. Die Vorspannung bestimmt somit die technische Verwendbarkeit des Kugelgewindetriebes entscheidend mit. Sollte trotz aller Vermeidungsbemühungen eine Querkraft am Kugelgewindetrieb wirksam werden, so kann eine erhöhte Vorspannung der Mutterteile das Muttersystem so stabilisieren, dass es diese an sich unzulässige Belastung hinreichend ertragen kann.

Da die Vorspannung eine Grundlast im Kugelgewindetrieb darstellt, die mit der äußeren Betriebslast die lebensdauerbestimmende Gesamtbelastung bildet, sollte sie nicht so hoch wie möglich, sondern immer nur so hoch wie notwendig gewählt werden.

Laufbahnprofile von Kugelgewindetrieben

Die Geometrie der Kugellaufbahnprofile unterliegt keiner übergeordneten Vorgabe (Norm) und wird durch den Hersteller von Kugelgewindetrieben und dessen Know-how festgelegt. Deshalb werden bauform- und baugrößengleiche Kugelgewindetriebe unterschiedlicher Hersteller auch fast immer mit unterschiedlichen Kugellaufbahnprofilen hergestellt. Eine Spindel-Mutter-Kombination unterschiedlicher Hersteller ist daher meist nicht möglich und mit Blick auf eine sichere Funktionalität auch nicht sinnvoll.

Das Laufbahnprofil hat großen Einfluss auf die Tragfähigkeit und die Laufqualität von Kugelgewindetrieben. Bei Präzisions-Kugelgewindetrieben, wie sie z. B. in Werkzeugmaschinen eingesetzt werden, hat sich das Spitzbogenprofil (auch gotisches Profil genannt) zu einem bewährten Standard entwickelt, da die wichtigsten qualitätsbestimmenden Größen (wie z. B. Schmiegung und Druckwinkel) konstruktiv sehr gut vorherbestimmbar und beherrschbar sind.

Hybrid-Kugelgewindetriebe mit Keramikkugeln

Eine weitere Unterscheidung ist durch die kraftübertragenden Kugeln selbst möglich. Bei den meisten Kugelgewindetrieben werden Kugeln aus hochfestem, gehärteten Stahl (100Cr6) eingesetzt. Sie zeichnen sich durch eine hohe Belastbarkeit und eine hohe Verschleißfestigkeit aus. Außerdem sind sie sehr präzise und wirtschaftlich herstellbar.

Seit einigen Jahren werden in Kugelgewindetrieben aber auch Kugeln aus Siliciumnitrid verbaut. Bei diesen sogenannten Hybrid-Kugelgewindetrieben rollen die Keramikkugeln auf den stählernen Laufbahnen der Spindel und der Mutter ab. Die Keramikkugeln zeichnen sich dabei besonders durch eine hohe Belastungsmöglichkeit, geringe Reibung und sehr günstige Notlaufeigenschaften bei Schmierstoffmangel aus. Da die Tragfähigkeit eines Kugelgewindetriebes aber nicht nur von den Kugeln, sondern genauso von den Laufbahnen auf der Spindel und in der Mutter abhängig ist, ist eine deutlich höhere Belastungsfähigkeit von Hybrid-Kugelgewindetrieben eher nicht gegeben. Vorteile hat diese Ausführung zweifelsfrei bei kleinen Verfahrgeschwindigkeiten aufgrund der überaus günstigen Reibungsverhältnisse.

Verschiedene Einbaulagen von Kugelgewindetrieben

Die Einbaulage (horizontal oder vertikal) eines Kugelgewindetriebes ist grundsätzlich beliebig und hat prinzipiell keinen direkten Auswirkung auf dessen Funktion. Sie kann aber Einfluss auf die Belastung, die Schmierstrategie (erhöhter Schmierstoffverlust) und in manchen Fällen auch auf das Schwingungs- und Geräuschverhalten (Kugelfall in der Kugelrückführung) nehmen.

Horizontal verbaute Kugelgewindetriebe verfahren z. B. einen Schlitten meist zwischen zwei Punkte, wobei die Schlittenmasse von den Führungen aufgenommen wird. Da die Verfahrrichtung oftmals unbedeutend ist und keine Vorzugsrichtung hat, werden horizontal angeordnete Kugelgewindetriebe im Betriebszustand fast immer beidseitig mit nahezu gleichen Kräften belastet.

Bei der vertikalen Anwendung ruht die Schlittenmasse auf der Mutter und muss vom Kugelgewindetrieb angehoben oder abgesenkt werden. Bei diesem Einsatzfall wird der Kugelgewindetrieb üblicherweise einseitig mit einer Vorzugsrichtung belastet. Die Belastung kann durch geeignete gewichtentlastende Maßnahmen reduziert werden, was der Haltbarkeit des Kugelgewindetriebes zu Gute kommt. Allerdings erfordert dies einen zusätzlichen konstruktiven Maschinenaufwand, der sich auch in den Herstellungskosten der Maschine wiederspiegelt.

Die meisten Anwendungen von Kugelgewindetrieben erfolgen in der horizontalen oder in der vertikalen Einbaulage, obwohl diese nur die Extremlagen der allgemeingültigen, schrägen Einbaulage darstellen.

Herstellungsverfahren

Bei der Herstellung von Kugelgewindetrieben können unterschiedliche Fertigungsverfahren zum Einsatz kommen. Kugelgewindetriebe sind daher in gerolltgewirbelter, hartgedrehter oder geschliffener Ausführung erhältlich. Da die Herstellungsmethode direkten Einfluss auf die Genauigkeit und die Tragfähigkeit und somit letztlich auf die Verwendbarkeit eines Kugelgewindetriebes hat, ist die richtige Auswahl des Fertigungsverfahrens von großer Bedeutung.

Gewindeschleifen, die höchste Präsizion

Die größte Präzision wird durch das Schleifen des Kugelgewindes als finale Endbearbeitung nach der Warmbehandlung erreicht. Geschliffene Kugelgewindetriebe werden bei AM in den Präzisions-Genauigkeitsklassen IT 1, IT 3 und IT 5 hergestellt. Die gemittelten Rautiefen der Laufbahnoberflächen liegen dabei bei Rz1 bzw. der arithmetische Mittenrauwert bei Ra0,15. Durch die hohe Maßgenauigkeit von Mutter und Spindel, zeichnen sich geschliffene Kugelgewindetriebe durch ein sehr gleichmäßig ruhiges und vibrationsarmes Laufverhalten aus. Sie haben eine hohe Lebensdauer sowie eine sehr hohe Tragfähigkeit und Langzeitgenauigkeit über die gesamte Gebrauchsdauer.

Das Schleifen ist das klassische Herstellungsverfahren für die Hartbearbeitung von Kugelgewinden. Allerdings ist diese Fertigungskette wegen der Vielzahl einzelner Bearbeitungsschritte und der dafür notwendigen Bearbeitungsmaschinen auch die kostenintensivste. Deshalb ist für eine wirtschaftliche Fertigung die optimale Ausnutzung und Abstimmung moderner Schleiftechnologien auf leistungsfähigen Schleifmaschinen zwingend notwendig.

Gewindewirbeln der Profilkontur

Üblicherweise werden geschliffene Kugelgewindespindeln mit einem Schleifaufmaß in den Gewindeflanken vorbearbeitet. Diese Vorbearbeitung erfolgt durch Wirbeln des Gewindes vor der Warmbehandlung. Das Wirbeln ist ein Schlag-Dreh-Fräsprozess, bei dem die Profilkontur mit einem wendeplattenbestückten Wirbelkopf aus der Spindel herausgearbeitet wird. Das Wirbelaggregat ist im Steigungswinkel des Kugelgewindes angestellt und wird mit einer Vorschubgeschwindigkeit, die der gewünschten Steigung entspricht, axial entlang der Spindel verfahren. Der um die Spindelstange rotierende Wirbelkreisel wird dabei radial soweit aus der Achsmitte verschoben, dass er den Werkstoff sehr kurzspanig zerspant.

Durch den Wirbelprozess lassen sich bereits gute Fertigungsgenauigkeiten erzielen, so dass sich auch dieses Fertigungsverfahren für die Endbearbeitung eignet. Dies gilt besonders dann, wenn ins Harte gewirbelt wird. Allerdings entstehen verfahrensbedingt Oberflächen mit hoher Facettenzahl, die sich negativ auf die Laufqualität des Kugelgewindetriebes auswirken können. Das Hartwirbeln wird oftmals auch als Gewindeschälen bezeichnet.

Werkstoffe und Warmbehandlung

Wenn es um eine wirtschaftliche Herstellung mit hoher Qualität und einer langen Haltbarkeit geht, ist auch die Werkstoffauswahl und die verschleißbestimmende Warmbehandlung von Mutter (durchgehärtet) und Spindel (oberflächengehärtet, tiefnitriert) von großer Wichtigkeit. Eine hohe Härte (67 HRC) der Kugellaufbahnen ist die Grundvoraussetzung für eine lange Gebrauchsdauer des Kugelgewindetriebes. Sie macht den Kugelgewindetrieb unempfindlicher gegenüber hohen Belastungen und äußeren Einflüssen wie z. B. Späne.

Anwendungsbereiche

Die konstruktive Ausführung und das Herstellungsverfahren des Kugelgewindetriebes werden letztlich von dessen Verwendung bestimmt. Kugelgewindetriebe können außer in den „normalen“ Anwendungsbereichen auch im Hochgeschwindigkeitsbereich (High-Speed), im Schwerlastbereich (Heavy-Load), im Kurzhub- und Oszillationsbereich (Micro-Move) sowie im Leichtlaufbereich (z. B. Schleifantriebe) zum Einsatz kommen. Aber auch unter besonderen Umgebungsbedingungen wie z. B. unter Wasser oder bei hohen Temperaturen können Kugelgewindetriebe sicher eingesetzt werden. Die technologischen Ansprüche und die gestellten Erwartungen sind in den einzelnen Einsatzbereichen stark von der Anwendung abhängig. Sie sind sehr spezifisch und teilweise sogar konträr. Ein Kugelgewindetrieb der z. B. eine sehr hohe Last ertragen kann, wird niemals auch sehr hohe Verfahrgeschwindigkeiten realisieren müssen. Dagegen wird ein hochdynamischer Kugelgewindetrieb durch vergleichsweise geringe Kräfte belastet. Soll eine große Masse in kleinen Schritten verfahren werden, so ist dann meist auch keine hohe Dynamik gefordert, sondern es wird eher ein geringes Losbrechmoment und eine sehr geringe Reibung erwartet. Daher sind spezielle, konstruktive Ausführungen notwendig, die dem jeweiligen Anforderungsprofil möglichst exakt entsprechen.

Kugelgewindetyp P und T für Positionierung und Transport nach DIN ISO 3408

Eine weitere Unterscheidung bei Kugelgewindetrieben ist der Verwendungszweck, wobei gemäß der DIN ISO 3408 zwischen Positionier- und Transport-Kugelgewindetriebe unterschieden wird.

Positionier-Kugelgewindetriebe (Typ P nach DIN ISO 3408-1) sind spielfrei vorgespannte Systeme, die üblicherweise für Positionieraufgaben oder in Anwendungen mit erhöhten Anforderungen (z. B. Werkzeugmaschinen) eingesetzt werden. Das in sehr engen Maßtoleranzen geschliffene Kugelgewinde ermöglicht die indirekte Messung des Weges aus dem Drehwinkel und der Gewindesteigung. Die Verfahrgenauigkeit wird durch die Wegabweichung des Kugelgewindetriebes festgelegt.

Transport-Kugelgewindetriebe (Typ T nach DIN ISO 3408-1) werden eingesetzt, um Bauteile zu verfahren bzw. zu bewegen. Typische Anwendung sind z. B. Handlingsachsen. Das Spindelgewinde ist nicht immer unbedingt geschliffen, sondern es wird oftmals gerollt bzw. gewirbelt. Der Genauigkeitsanspruch eines Transport-Kugelgewindetriebes ist deutlich geringer als der eines Positionier-Kugelgewindetriebes. Setzt man aber für die Positionsbestimmung der Achse bei Transport-Kugelgewindetrieben ein parallel angeordnetes Linearmesssystem ein, so wird die Positioniergenauigkeit nicht mehr vom Kugelgewindetrieb, sondern von der Auflösung und somit von der Genauigkeit des Wegmesssystemes bestimmt. Hierdurch lassen sich auch mit Transport-Kugelgewindetrieben bessere Positioniergenauigkeiten als bei Positionier-Kugelgewindetrieben erreichen. Wegen der verbesserten Haltbarkeit und der geforderten Laufqualität sind die Kugelgewindespindeln bei diesen Anwendungen ebenfalls meist geschliffen.

Mehrspindelanwendung

Kugelgewindetriebe können auch als Mehrspindelsysteme eingesetzt werden, wobei die Kraftübertragung und die Bewegungsumsetzung nicht von einem Kugelgewindetrieb, sondern von mehreren (meist zwei) parallel angeordneten Systemen gemeinsam realisiert wird. Für diese steuerungstechnisch sehr anspruchsvolle Antriebsaufgabe bieten die Steuerungshersteller spezielle Betriebsarten (z. B. Master-Slave-Betrieb oder Gantry-Betrieb) mit sehr hoher Gleichförmigkeit an. Damit kein Verecken oder Verkanten in den Bewegungsführungen entsteht, sollten die Steigungsabweichungen der parallel angeordneten Kugelgewindespindeln untereinander möglichst gering sein. Aber auch die Regelungsgüte der synchronen Verfahrbewegungen beider Spindeln in allen Bewegungsphasen ist von besonderer Bedeutung. Die Kraftaufteilung der Last ist ebenfalls sehr wichtig, da z. B. im Falle einer zeitlich veränderlichen Wanderlast diese nicht immer zu gleichen Teilen an den einzelnen Kugelgewindetrieben wirksam wird, sondern es erhebliche Unterschiede geben kann. Da das Bewegungsverhalten und die Kraftaufteilung nicht immer vorhersehbar ist, kann es zu sehr hohen, zusätzlichen Belastungen jedes einzelnen Kugelgewindetriebes kommen.