Lineartechnik Kugelgewindetriebe auf dem Prüfstand

Quelle: August Steinmeyer Lesedauer: 5 min

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Auf neuen Prüfständen sollen zum einen besonders lange Spindeln getestet und zum anderen die Zylindrizität des Spindelgewindes direkt nach dem Schleifprozess unter die Lupe genommen werden. August Steinmeyer hat dazu in neue Technologien investiert.

Kugelgewindetriebe sind wichtige Antriebselemente, die eine genaue Positionierung sowie eine hohe Geschwindigkeit und Dynamik in verschiedenen Applikationen ermöglichen.
Kugelgewindetriebe sind wichtige Antriebselemente, die eine genaue Positionierung sowie eine hohe Geschwindigkeit und Dynamik in verschiedenen Applikationen ermöglichen.
(Bild: August Steinmeyer)

Kugelgewindetriebe sind wichtige Antriebselemente, die eine genaue Positionierung sowie eine hohe Geschwindigkeit und Dynamik in verschiedenen Applikationen ermöglichen. Jede Aufgabenstellung erfordert einen individuellen Kugelgewindetrieb, um branchen- und applikationsspezifische Anforderungen zu erfüllen. Die hochpräzisen Antriebskomponenten bestehen aus einem Spindel-Muttern-System mit Kugeln als Wälzelementen. Die Kräfteübertragung erfolgt über Kugeln, die in einem Rückführungssystem zirkulieren. Kugelgewindetriebe gewährleisten eine spielfreie und dynamische Umsetzung von Dreh- und Längsbewegungen. Sie zeichnen sich durch geringe Reibung und Verschleiß sowie hohe Steifigkeit, Positioniergenauigkeit, Energieeffizienz und einen hervorragenden Wirkungsgrad aus.

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Die August Steinmeyer GmbH & Co. KG hat sich auf die Entwicklung, Fertigung und Vermarktung hochpräziser und anwendungsspezifischer Kugelgewindetriebe spezialisiert. „Die Materialauswahl, innovative Fertigungsverfahren, aber auch unsere detaillierten Mess- und Prüfvorgänge im gesamten Produktionsprozess spielen eine wichtige Rolle bei der Herstellung hochwertiger Miniatur-, Präzisions- und Schwerlast-Kugelgewindetriebe“, erklärt Wolfgang Klöblen, Entwicklungsleiter bei August Steinmeyer. „Natürlich tragen auch unsere gut ausgebildeten Fachkräfte zu einer ausgezeichneten Produktqualität bei.“

Kugelgewindetriebe und ihre Qualitätskriterien

Eine unzureichende Qualität der Antriebskomponenten kann gravierende Folgen in der jeweiligen Anwendung haben. So können zum Beispiel in Vorschubachsen von Werkzeugmaschinen Probleme bei der Positioniergenauigkeit auftreten, was sich wiederum negativ auf die Oberflächengüte der bearbeiteten Werkstücke auswirken kann. Eine übermäßige Wärme- und Geräuschentwicklung während des Bearbeitungsprozesses kann darüber hinaus zu mehr Verschleiß und einer verkürzten Lebensdauer der Komponenten selbst führen. „Deshalb werden alle unsere Kugelgewindetriebe vor ihrer Auslieferung einer Grundsatzprüfung unterzogen“, so Klöblen weiter. „Gegebenenfalls finden dann je nach Auftrag noch weitere Testverfahren statt, je nachdem welche Qualitätsklasse der jeweilige Kugelgewindetrieb erreichen soll.“

Einige der Qualitätskriterien für Kugelgewindetriebe werden nach DIN 69051-3 bzw. ISO 3408-3 beurteilt – wie zum Beispiel der Schwankungsbereich des Leerlauf-Drehmoments sowie der maximale Fehler bei der Steigungsgenauigkeit des Spindelgewindes und den Rund- und Planläufen. Anhand DIN 69051-6 bzw. ISO 3408-4 lässt sich zudem die Mutternsteifigkeit bewerten. Allerdings lassen sich dadurch keine Rückschlüsse auf eventuelle Einflüsse von Umlenkungen und Laufbahnqualität auf das Laufverhalten, die Positioniergenauigkeit und die Lebensdauer von Kugelgewindetrieben ziehen.

Der neue Prüfstand erweitert unser Spektrum: Bisher haben wir Spindellängen bis 2,40 m getestet, nun sind es 6,30 m.

Wolfgang Klöblen, Entwicklungsleiter bei August Steinmeyer

Drehmomente auf dem Prüfstand

Für dieses Problem musste eine Lösung gefunden werden. Deshalb entwickelten die Konstrukteure des Unternehmens eine Reihe von verschiedenen Prüfständen, mit denen die Qualitätsanforderungen an Kugelgewindetriebe überwacht werden können. So werden beispielsweise bei größeren Kugelgewindetrieben besondere Kriterien wie die Leerlauf-Drehmomente hochgenau erfasst, Frequenzanalysen durchgeführt und bei Hochgeschwindigkeitsanforderungen die Geräuschentwicklung detektiert. Für Miniatur-Kugelgewindetriebe entwickelte August Steinmeyer ebenfalls besondere Prüfstände mit dem Augenmerk auf Messungen zur Bestimmung der Positioniergenauigkeit.

Jüngst hat das Unternehmen in einen neuen Drehmomentprüfstand für große – bis zu einem Nenndurchmesser von 80 mm – bzw. sehr lange Kugelgewindetriebe investiert, um hier in Bezug auf die Steuerungs- und Messtechnik auf dem neuesten Stand der Technik zu sein. „Das Vorgängermodell war unser allererster – sozusagen der Ur-Drehmomentprüfstand – bei August Steinmeyer“, erzählt Wolfgang Klöblen. „Der neue Prüfstand erweitert unser Spektrum: Bisher haben wir Spindellängen bis 2,40 m getestet, nun sind es 6,30 m.“ So kann auch bei einer besonders langen Spindel die Gleichmäßigkeit des Leerlauf-Drehmoments sowie ein vibrationsfreier Lauf der Mutter sichergestellt werden.

Auf den Schleifprozess der Spindelgewinde kommt es an

Neben Maßnahmen zur Qualitätssicherung oder -optimierung beeinflusst auch die Art der Fertigung geometrische Genauigkeiten wie Rund- und Planlauf der Kugelgewinde sowie die Laufbahnqualität hinsichtlich Präzision, Rauigkeit und Welligkeit. Daher schleift August Steinmeyer die Spindelgewinde – auch die zweigängigen Ausführungen – in einem Durchlauf und überschleift den Spindelgewindeaußendurchmesser auf ganzer Länge auf Rundlauf. Die Rundlauftoleranzen der Lagerzapfen liegen dabei zwischen fünf und fünfzehn Mikrometern.

Um eine herausragende Oberflächenqualität des Spindelgewindes zu gewährleisten, hat August Steinmeyer zudem in eine neue Ölanlage investiert und ein neues Gewindeschleifverfahren etabliert. Damit können mikroskopische kleine Unregelmäßigkeiten auf der Laufbahnoberfläche des Spindelgewindes entfernt und dessen Oberflächenrauheit erheblich reduziert werden. Das führt zu verbesserten Schmiereigenschaften, zu einem sanfteren bzw. glatteren Lauf der Mutter sowie zu einer höheren Gleichmäßigkeit des Leerlaufdrehmoments über die gesamte Spindellänge. Weniger Vibrationen und eine geringere Geräuschentwicklung bei hohen Drehzahlen sind weitere positive Effekte. In umfangreichen Versuchen wurde zudem nachgewiesen, dass sich die optimierten Laufeigenschaften insgesamt vorteilhaft auf die Qualität und Lebensdauer der Kugelgewindetriebe auswirken. Durch das verbesserte Schleifverfahren kann August Steinmeyer besonders wirtschaftliche Komponenten anbieten, die eine energieeffiziente Auslegung des jeweiligen Antriebs ermöglichen und darüber hinaus auch den steigenden Anforderungen hochpräziser Anwendungen gerecht werden – denn die geringeren Reibmoment-Toleranzen steigern auch die Positioniergenauigkeit und senken den Verschleiß.

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Die Zylindrizitätsprüfstände im Bereich des Außengewindeschleifens sind für den fertigungsbegleitenden Messprozess mittlerweile nicht mehr wegzudenken.

Wolfgang Klöblen, Entwicklungsleiter bei August Steinmeyer

Auch für die Messung der Zylindrizität des Spindelgewindes hat das Unternehmen kürzlich neue Prüfstände gebaut, denn sie bestimmt ein weiteres wichtiges Merkmal eines guten Kugelgewindetriebs: den kontinuierlichen, nur minimal schwankenden Drehmomentverlauf. „Die Zylindrizitätsprüfstände im Bereich des Außengewindeschleifens sind für den fertigungsbegleitenden Messprozess mittlerweile nicht mehr wegzudenken“, so Klöblen. „Die Messung erfolgt direkt nach dem ersten Schleifen. Falls Unstimmigkeiten auftreten, können diese gleich korrigiert werden. Das ist sehr wichtig für darauffolgende Bearbeitungen“. Solche Optimierungen im Produktionsprozess sind für die Qualität des Bauteils und für die nachfolgenden Fertigungsschritte von großer Bedeutung, zum Beispiel für die Montage der Mutter, außerdem entfallen spätere Anpassungen, was Zeit und Aufwand spart.

Materialauswahl, Schmierungen und Beschichtungen

Ein weiterer wichtiger Qualitätsfaktor ist die Materialauswahl. Bei der Herstellung der Spindeln arbeitet August Steinmeyer ausschließlich mit gehärtetem Material. So kommt für Spindeln das auf eine Oberflächenhärte von ca. 60 HRC gehärtete Linearwellenmaterial zum Einsatz. Die Muttern werden in einer Aufspannung vorbearbeitet und in einer zweiten Aufspannung folgt die Feinbearbeitung von Innengewinde, Flansch und Zentrierbund. Auf diese Weise werden Rund- und Planläufe von unter zehn Mikrometer erreicht. Für die Muttern wird ein auf ca. 62 HRC gehärtete Wälzlagerstahl verwendet.

Eine besondere Bedeutung für die anforderungsgerechte Funktion der Kugelgewindetriebe kommt auch der Schmierung beziehungsweise der Auswahl des entsprechenden Schmiermittels zu. Gleiches gilt für die Wahl des Kugelmaterials und mögliche Beschichtungen. Hier steht August Steinmeyer seinen Kunden beratend zur Seite.

Mit all diesen Maßnahmen garantiert man bei August Steinmeyer, die umfangreichen Qualitätsanforderungen an Kugelgewindetriebe erfüllen zu können. Sichergestellt wird dies durch zertifizierte Prozesse im Rahmen von Qualitätsmanagement-Systemen, deren Funktionsfähigkeit durch verschiedene Audits nachgewiesen wird. Die Unternehmen der Steinmeyer-Gruppe sind alle nach ISO 9001 zertifiziert. August Steinmeyer verfügt darüber hinaus über die notwendigen Zertifizierungen nach DIN EN 9100 für die Luftfahrtbranche.

August Steinmeyer auf der EMO 2023: Halle 7, Stand D38

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