Gewindeschleifen Laufeigenschaften von Kugelgewindetrieben verbessern

Autor / Redakteur: Nima Jandaghi / Stefanie Michel

Spindeln mit geschliffenem Kugelgewinde können mit hoher Genauigkeit hergestellt werden. Dennoch kann die Oberfläche der Laufbahnen Unregelmäßigkeiten aufweisen. Ein neues Verfahren behebt diese Probleme.

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Um den steigenden Anforderungen ihrer Kunden an die Qualität ihrer Kugelgewindetriebe gerecht zu werden, hat die August Steinmeyer GmbH ihre Schleifprozesse optimiert.
Um den steigenden Anforderungen ihrer Kunden an die Qualität ihrer Kugelgewindetriebe gerecht zu werden, hat die August Steinmeyer GmbH ihre Schleifprozesse optimiert.
(Bild: August Steinmeyer)
  • Um die Qualität der Kugelgewindetriebe noch weiter zu steigern und damit den immer höheren Anforderungen seiner Kunden gerecht zu werden, hat Steinmeyer seine Schleifprozesse optimiert.
  • Die Herausforderung war, die Leistungsfähigkeit der Maschinen und Werkzeuge voll auszunutzen. Eine neue Ölanlage sorgt für eine bessere Kühlung und Reinigung der Schleifscheibe.
  • Die Oberflächentopografie der Spindelgewinde konnte durch die Maßnahmen um etwa 50 % verbessert werden. Das senkt den Verschleiß und erhöht die Lebensdauer.

Ob Werkzeug- oder Sondermaschinen, Medizin- oder Messtechnik, Robotik oder Handling, Luft- oder Raumfahrt – Kugelgewindetriebe kommen in verschiedensten Ausführungen in unterschiedlichen Branchen zum Einsatz. Beim Einsatz der Komponenten steht immer die Wirtschaftlichkeit, Zuverlässigkeit und Präzision im Mittelpunkt. Dafür ist eine hohe Qualität der verbauten Komponenten erforderlich.

Die Qualität von Kugelgewindetrieben wird unter anderem über Laufruhe, Geräuschentwicklung, Vibrationen, Einlaufverhalten und Energieeffizienz beurteilt. Um den steigenden Anforderungen seiner Kunden an die Qualität seiner Kugelgewindetriebe gerecht zu werden, hat das Unternehmen August Steinmeyer seine Schleifprozesse optimiert. Dafür wurden nicht nur die Kühlung, Spülung und Reinigung verbessert, sondern auch die Werkzeugauswahl sowie die Prozessparameter erweitert, die beim Schleifen des Spindelgewindes eine Rolle spielen.

Spindeln mit geschliffenem Kugelgewinde machen derzeit einen Umsatzanteil von etwa 80 % des Unternehmens aus und können mit einer sehr hohen Genauigkeit gefertigt werden. Deshalb eignen sie sich für Anwendungen, die eine hohe Präzision erfordern. Spindeln mit gerolltem beziehungsweise gewirbeltem Kugelgewinde sind hingegen stark abhängig vom Materialverhalten und deshalb nicht immer auf einem solch hohen Genauigkeitsniveau herstellbar wie die geschliffenen Varianten. Doch selbst bei der geschliffenen Variante können durchaus mikroskopische Unregelmäßigkeiten auf der Laufbahnoberfläche des Spindelgewindes entstehen, wie eigene Untersuchungen belegen. Solche Unregelmäßigkeiten führen zu Vibrationen, unruhigem Lauf sowie Geräuschbildung und gehen mit einem erhöhten Verschleiß und damit einer kürzeren Lebensdauer der Kugelgewindetriebe einher.

Optimale Anpassung der Prozessparameter und Werkzeugauswahl

Um Abhilfe zu schaffen, haben sich die Steinmeyer-Spezialisten aus der Forschung und Entwicklung intensiv damit beschäftigt und begonnen, den Schleifprozess zu optimieren.

Das Schleifen ist oft der letzte Teilprozess bei der Herstellung hochwertiger sowie präziser Komponenten für den Maschinen- und Anlagenbau und steht damit am Ende der Wertschöpfungskette. Dabei werden Funktionsflächen wie Lauf-, Sicht- und Dichtflächen mit hoher Oberflächengüte und sehr engen geometrischen Toleranzen erzeugt. Ein leistungsfähiger und gleichzeitig sicherer Fertigungsablauf ist deshalb Voraussetzung für eine wirtschaftliche Produktion. Hochpräzises Gewindeschleifen gehört zu den Fertigungsprozessen, die ein außerordentliches Maß an Erfahrungen erfordern.

Die Experten von August Steinmeyer wissen, worauf bei der Herstellung der komplexen Bauteile geachtet werden muss. In vielen Fällen wird deshalb beim Schleifen die Leistungsfähigkeit der Maschinen und Werkzeuge nicht voll ausgeschöpft, um die Prozesssicherheit nicht zu gefährden. Die Spezialisten wissen: Es kommt darauf an, die Prozessparameter optimal an die Fertigungszeiten und die erforderliche Qualität der Spindeln anzupassen. Allein durch das Ausnutzen der vollen Leistungsfähigkeit der Maschine wird die Qualität nicht unbedingt verbessert. Neben den drei Kardinalgrößen Schnitt- und Vorschubgeschwindigkeit sowie Zustellung hat vor allem die Auswahl der geeigneten Schleifwerkzeuge und deren Konditionierung, also das Profilieren, Abrichten, Strukturieren, Schärfen und Reinigen wesentlichen Einfluss auf das Prozessergebnis.

Schäden durch Zusetzungen, Reibung und Wärme

Mit zunehmendem Verschleiß des Schleifwerkzeuges ändern sich wichtige Prozesskenngrößen wie Normal- und Tangentialkräfte sowie die Maximaltemperatur in der Kontaktzone zwischen Werkzeug und Werkstück. Sogenannte Zusetzungen werden als beachtenswerte Größe im Verschleißmechanismus angesehen: Sie beschreibt das Anhaften von Teilen des Werkstückstoffes an den Schleifkörnern beziehungsweise das Festsetzen von Spänen in den Poren der Schleifscheibe.

Zusetzungen verursachen eine starke Reibung und hohe Temperaturen in der Kontaktzone. Sie können mit dem Werkstückstoff verschweißen und kleine Teile davon herausreißen, sodass die Oberfläche beschädigt wird. Schreitet die Zusetzung fort, kann sich die Makrostruktur der Schleifscheibe verändern. Insbesondere scharfe Kanten werden dadurch stark beansprucht, zum Beispiel beim Nutenschleifen. In der Folge kann die Scheibe ihr Profil verlieren und so können Maß- und Formfehler am Werkstück entstehen.

Der Schleifprozess ist zudem ein Bearbeitungsverfahren mit geometrisch unbestimmten Schneiden. Ein großer Teil der zugeführten mechanischen Energie wird in Wärme umgewandelt: zum einen durch die Reibung und plastische Verformung des Werkstückstoffes beim Korneingriff, zum anderen während des Abscherens des Spans bei der Spanbildung. Ein großer Teil der in der Schleifkontaktzone erzeugten Wärme fließt ins Werkstück und kann damit thermische Schädigungen und Randzonenbeeinflussungen verursachen.

Verbessertes Kühlkonzept sorgt für weniger Verschleiß

Kühlschmierstoffe haben im Schleifprozess wichtige Aufgaben, denn sie reduzieren die auftretenden Reibvorgänge. Somit entsteht deutlich weniger Wärme und sie kann aus der Kontaktzone abgeführt werden. Darüber hinaus kann die Spülwirkung des Kühlschmierstoffes die Zusetzung der Schleifscheibe vermeiden.

Um die Qualität geschliffener Werkstücke zu verbessern, hat August Steinmeyer in eine neue Ölanlage investiert, die höhere Drücke und eine bessere Filtrierung erlaubt. Zum anderen hat das Unternehmen auch neue Düsen für das Kühlen der Schleifkontaktzone und zusätzliche KSS-Düsen zur In-Prozess-Reinigung der Schleifscheibenoberfläche entwickelt und setzt diese nun ein. Somit ist eine bessere Zufuhr des Kühlmediums in die Schleifkontaktzone und eine effektivere Reinigung der Schleifscheibe möglich. In der Folge reduzieren sich die Aufschweißungen auf dem Schleifkorn und es bilden sich keine Spannester in der Schleifscheibenpore, die Wärmezufuhr in das Werkstück verringert sich erheblich. Die im eigenen Haus entwickelte Kühl- und Reinigungstechnologie setzt das Unternehmen auch erfolgreich in den Schleifprozessen bei der Herstellung von Spindelgewinden ein. Somit können jegliche Kommabildung und Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche des Spindelgewindes vermieden werden.

Die Oberfläche als Spiegel der Qualität des Werkstücks

Die Experten bei August Steinmeyer betonen, dass eines der wichtigsten Ergebnisse eines Schleifprozesses die Verfeinerung der Oberfläche des Werkstückes ist. Durch das neue Schleifverfahren konnte die Oberflächentopografie der eigenen Spindelgewinde um etwa 50 % verbessert werden. Die Oberflächenrauheit beschreibt zusammen mit Parametern wie geometrischer Genauigkeit oder Beschaffenheit die Qualität des geschliffenen Werkstückes. Die Rauheit wird von vielen Faktoren beeinflusst, darunter Scheibentopografie, Zusetzung, Verschleiß, Schnittbedingungen, Werkstückstoff und Schleifrichtung. Durch das reibungslose Zusammenspiel der gewählten Werkzeuge sowie Schnittbedingungen mit einer optimierten Spülung der Schleifscheibe und Kühlung der Schleifkontaktzone ist es möglich, das Endprodukt – also in diesem Fall die Spindel – in einer noch höheren Fertigungsqualität herzustellen als bisher. August Steinmeyer kann somit durch das verbesserte Schleifverfahren Kugelgewindetriebe anbieten, die den steigenden Anforderungen hochpräziser Anwendungen gerecht werden und durch optimierte Laufeigenschaften besonders langlebig, wirtschaftlich und effizient sind.

* Dipl.-Ing. Nima Jandaghi ist Teamleiter des Bereichs Technologie bei der August Steinmeyer GmbH & Co. KG in 72458 Albstadt, Tel. (0 74 31) 12 88-0, info@steinmeyer.com

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