Lineartechnik Kugelgewindetriebe auf dem Prüfstand

Ein Gastbeitrag von Jens-Uwe Gühring

Um Kugelgewindetriebe in höchster Güte herzustellen, investiert August Steinmeyer stetig in neue Verfahren und Maschinen. Das Unternehmen zeigt, wie das mithilfe zweier neuer Prüfstände umgesetzt und somit die Qualitätskontrolle optimiert wurde.

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Die neuen Prüfstände für Drehmoment und Zentrizität bei August Steinmeyer sichern die hohe Qualität der Kugelgewindetriebe.
Die neuen Prüfstände für Drehmoment und Zentrizität bei August Steinmeyer sichern die hohe Qualität der Kugelgewindetriebe.
(Bild: August Steinmeyer / www.art-photography.de)

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 Herstellung dieses komplexen Bauteils setzt somit ein hohes Maß an Spezialisierung voraus.

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. Um stets die geforderte Qualität und Präzision erfüllen zu können, modernisiert August Steinmeyer laufend seinen Maschinenpark. „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 zur Produktqualität bei.“

Prüfverfahren für höchste Qualität

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 von 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.

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.

Mit dem neuen Prüfstand kann bei August Steinmeyer auch bei einer besonders langen Spindel die Gleichmäßigkeit des Leerlauf-Drehmoments sowie ein vibrationsfreier Lauf der Mutter sichergestellt werden.
Mit dem neuen Prüfstand kann bei August Steinmeyer auch bei einer besonders langen Spindel die Gleichmäßigkeit des Leerlauf-Drehmoments sowie ein vibrationsfreier Lauf der Mutter sichergestellt werden.
(Bild: August Steinmeyer / www.art-photography.de)

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Wenn es um Qualität geht, zahlen sich Investitionen aus. Aus diesem Grund hat das Unternehmen jüngst in einen neuen Drehmomentprüfstand für große (bis zu einem Nenndurchmesser von 80 Millimetern) 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 Klöblen. „Der neue Prüfstand erweitert unser Spektrum: Bisher haben wir Spindellängen bis 2,40 Meter getestet, nun sind es 6,30 Meter.“ So kann auch bei einer besonders langen Spindel die Gleichmäßigkeit des Leerlauf-Drehmoments sowie ein vibrationsfreier Lauf der Mutter sichergestellt werden.

Hinzu kommt, dass August Steinmeyer von seinen Kunden immer häufiger mit erhöhten Anforderungen an die Protokollierung und Dokumentation konfrontiert wurde sowie die Steuerungs- und Messtechnik bei mehreren Prüfständen auf den neuesten Stand gebracht werden musste. So gab es also mehrere Gründe, um in einen neuen Prüfstand zu investieren.

Zylindrizität beim Außengewindeschleifen sicherstellen

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 Spindelgewinde-Außendurchmesser auf ganzer Länge auf Rundlauf. Die Rundlauftoleranzen der Lagerzapfen liegen dabei zwischen fünf und fünfzehn Mikrometern.

Auch für die Messung der Zylindrizität des Spindelgewindes hat das Unternehmen kürzlich neue Prüfstände gebaut, denn sie bestimmt ein weiteres 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 Bearbeitung“. 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.

Wie Klöblen erklärt, hat August Steinmeyer jetzt einen umfassenden Bestand an Prüfständen: Dazu gehören mehrere Einrichtungen zum Messen des Leerlauf-Drehmoments, der Steigungsgenauigkeit des Spindelgewindes und des Wirkungsgrads. Hinzu kommen Prüfstände zum Messen der Mutternsteifigkeit für große Kugelgewindetriebe und der Positioniergenauigkeit für kleine.

Im Namen der Qualität

Neue Fertigungsverfahren wie Optislite, Xi-Plus oder ETA+ sorgen bei August Steinmeyer für beste Laufeigenschaften der Kugelgewindetriebe. Insgesamt kann so eine höhere Laufruhe erzielt werden. Die verringerten Reibmomenttoleranzen steigern zudem die Positioniergenauigkeit. Ein reduzierter Verschleiß verlängert die Lebensdauer der Komponenten und die geringere Geräuschentwicklung senkt den Geräuschpegel während des Betriebs. Nicht zuletzt wirken sich diese Verfahren positiv auf die Energieeffizienz der Kugelgewindetriebe aus.

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.etwa 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.

Mit all den Maßnahmen liefert August Steinmeyer Produkte höchster Güte, um weiterhin zu den Marktführern zu zählen. Vor der Auslieferung werden alle Kugelgewindetriebe auf die geometrische Übereinstimmung mit der Vorgabezeichnung überprüft und einem Funktionstest unterzogen. Die Merkmale und der Umfang der Prüfung unterscheiden sich je nach zugeordneter Qualitätsklasse. Die getesteten Kriterien sind Leerlauf-Drehmoment (mit integrierter Frequenzanalyse sowie Beurteilung der Laufeigenschaften), Geräuschentwicklung, Positioniergenauigkeit, Wirkungsgrad und Mutternsteifigkeit. Zusätzlich werden Parameter wie Schwankungsbereich des Leerlauf-Drehmoments, Maximalfehler der Steigungsgenauigkeit und Mutternsteifigkeit nach DIN beurteilt.

* Jens-Uwe Gühring ist Vertriebsleiter der August Steinmeyer GmbH & Co. KG in 72458 Albstadt, Tel.+49 7431 1288-0, info@steinmeyer.com

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