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Kugelgewindetriebe Kosten sparen durch planbare Stillstandszeiten

| Autor / Redakteur: Wolfgang Klöblen / Stefanie Michel

Der Ausfall eines Kugelgewindetriebes in der Vorschubachse einer Werkzeugmaschine bedeutet normalerweise ungeplante Stillstandszeiten und oft hohe Kosten. Um dem vorzubeugen, wird nun der Zustand des Kugelgewindetriebes permanent überwacht. So lassen sich drohende Probleme frühzeitig erkennen und eventuell erforderliche Maßnahmen rechtzeitig einleiten.

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Die Technik der Zustandsüberwachung eines Kugelgewindetriebs zielt darauf ab, die Vorspannung der Mutter auf der Spindelwelle durchgehend zu überwachen.
Die Technik der Zustandsüberwachung eines Kugelgewindetriebs zielt darauf ab, die Vorspannung der Mutter auf der Spindelwelle durchgehend zu überwachen.
(Bild: August Steinmeyer)

Durch unerwartete Ausfälle von Kugelgewindetrieben entstehen vor allem in der Serienproduktion schnell hohe Kosten. Als eines der häufigsten Ausfallkriterien gilt der Verlust der Vorspannung und damit das Auftreten von Spiel zwischen Spindel und Mutter aufgrund von adhäsivem beziehungsweise abrasivem Verschleiß der Laufbahnen und Kugeln.

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Um dem vorzubeugen, startete die August Steinmeyer GmbH & Co. KG bereits vor Jahren ein Entwicklungsprojekt zur permanenten Überwachung des Zustands des Kugelgewindetriebes. Eine wesentliche Kenngröße für die Qualität eines Kugelgewindetriebs stellt die Vorspannung der Mutter auf der Spindelwelle dar: Sie ist eine notwendige Voraussetzung für die Leistungsfähigkeit des Kugelgewindetriebs, beispielsweise für die Spielfreiheit, Positioniergenauigkeit oder Steifigkeit. Die Entwickler bei Steinmeyer wissen: Ohne die Vorspannung schwingt die Achse auf und es werden weder eine ausreichende Positioniergenauigkeit noch gute Oberflächen bei der Bearbeitung erreicht.

Vorspannung permanent überwachen

Die von Steinmeyer entwickelte Technik der Zustandsüberwachung eines Kugelgewindetriebs zielt darauf ab, die Vorspannung der Mutter auf der Spindelwelle durchgehend kontrollieren zu können. Dazu wird das Niveau der Vorspannung im Neuzustand gemessen und anschließend die Abnahme über die Lebensdauer permanent aufgezeichnet und ausgewertet. Durch die Definition individueller Grenzwerte lassen sich Warnmeldungen generieren, die ausgegeben werden, wenn die Vorspannung unter einen vorgegebenen Grenzwert sinkt.

Neuer Ansatz zur Bewertung des Betriebszustandes

Die Vorteile sind ersichtlich, denn das eröffnet nun die Möglichkeit, einen geplanten Austausch in Ruhe vorzubereiten und durchzuführen. Gleichzeitig lassen sich damit Kosten aufgrund von Stillstandszeiten, Ersatzteilbeschaffung und Monteureinsätzen minimieren.

Bisher existierte jedoch noch kein wirklich zuverlässiges System für die direkte Zustandsüberwachung von Kugelgewindetrieben in der Vorschubachse einer Werkzeugmaschine während des Betriebes. Zwar ist man bereits in der Lage gewesen, indirekte Signale auszuwerten, daraus dann jedoch objektive Vorhersagen über den Zeitpunkt des Ausfalls oder über die Restlaufzeit des Kugelgewindetriebs zu treffen, war in der Vergangenheit äußert schwierig und unzuverlässig.

Die Idee der Steinmeyer-Ingenieure war es nun, eine Messung der Vorspannung im Betrieb nahe an der Kontaktzone zwischen Kugel und Mutter durchzuführen, da in diesem Bereich der Verschleiß des Kugelgewindetriebs stattfindet.

Eindeutige und reproduzierbare Ergebnisse

Mehrere Grundlagenversuche konnten diesen Ansatz verifizieren. Dafür fertigte Steinmeyer spezielle Spindelwellen, bei denen das Spindelgewinde in drei unterschiedlichen Tiefen eingebracht wurde. Anschließend wurde das Leerlauf-Drehmoment der Mutter zur Erfassung der Vorspannung gemessen. Es ergaben sich dabei drei deutlich abgegrenzte Stufen.

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