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Kugelgewindetriebe Wie man Qualitätsstandards dauerhaft hält

| Autor/ Redakteur: Wolfgang Klöblen / Stefanie Michel

Um genau positionieren zu können, stellen Kugelgewindetriebe entsprechend hohe Anforderungen an die Produktion: Das reicht von den Fertigungstechniken über die verwendeten Werkstoffe bis hin zu den Prüfverfahren. Ein Hersteller zeigt, wie er den höchsten Qualitätsanforderungen gerecht wird.

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August Steinmeyer ist auf die Entwicklung und Fertigung qualitativ besonders hochwertiger Kugelgewindetriebe spezialisiert. Deshalb muss das Unternehmen diese Qualität dauerhaft sicherstellen.
August Steinmeyer ist auf die Entwicklung und Fertigung qualitativ besonders hochwertiger Kugelgewindetriebe spezialisiert. Deshalb muss das Unternehmen diese Qualität dauerhaft sicherstellen.
(Bild: August Steinmeyer)
  • Kugelgewindetriebe sind in Maschinen ein zentrales Element, um schnell und exakt zu positionieren. Bei der Fertigung solch präziser Komponenten müssen einige Faktoren berücksichtigt werden.
  • Die geometrischen Genauigkeiten und die Laufbahnqualität sind abhängig von der Art der Fertigung. Deshalb wird beispielsweise bei den Spindelgewinden großen Wert auf die Oberflächenbearbeitung gelegt.
  • Neben hochwertigen Werkstoffen, modernen Maschinen und Prüfständen sichern auch qualifizierte Fachkräfte die Qualität.

Kugelgewindetriebe sind im Maschinen- und Apparatebau ein unersetzliches Antriebselement für die Realisierung dynamischer und gleichzeitig exakter Positionieraufgaben. Jede Aufgabenstellung erfordert dabei ihren eigenen speziellen Kugelgewindetrieb. Damit hat sich dieser zu einem Bauteil entwickelt, das ein hohes Maß an Spezialisierung verlangt.

Wichtige Beurteilungskriterien für die Qualität von Kugelgewindetrieben sind Laufruhe, Geräuschentwicklung, Vibrationen, Einlaufverhalten und Energieeffizienz. Die Spezialisten der August Steinmeyer GmbH & Co. KG aus Albstadt wissen aus langjähriger Erfahrung, worauf es ankommt. Das Unternehmen aus Baden-Württemberg ist auf die Entwicklung und Fertigung qualitativ hochwertiger Kugelgewindetriebe spezialisiert und stellt diese seit den 1960er-Jahren her. Dabei bewegen sich die Produkte des Unternehmens, die individuell auf die Anforderungen der Kunden abgestimmt werden, hinsichtlich ihrer Präzision im Submikrometerbereich und werden damit allerhöchsten Qualitätsanforderungen gerecht.

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„Bei der Produktion hochpräziser Kugelgewindetriebe spielen Faktoren wie Materialien, Fertigungsverfahren und Montage sowie Mess- und Prüfeinrichtungen eine entscheidende Rolle“, erklärt Jens-Uwe Gühring, Vertriebsleiter bei August Steinmeyer. „Auch Ausbildungsstand und Qualifikation der Fachkräfte beeinflussen maßgeblich die Qualität der Produkte. Daher produzieren wir unsere Kugelgewindetriebe ganz bewusst vollständig in Deutschland.“ Das Albstädter Unternehmen investiert regelmäßig in neue Technologie und ergreift in allen genannten Bereichen viele qualitätsverbessernde sowie -sichernde Maßnahmen, um zuverlässig Miniatur-, Präzisions- und Schwerlastkugelgewindetrieben höchster Güte liefern zu können. Auch die strengen Auflagen für Kugelgewindetriebe für die Luft- und Raumfahrt werden erfüllt.

Fertigungstechnik beeinflusst geometrische Genauigkeit

Die Art der Fertigung beeinflusst maßgeblich die geometrischen Genauigkeiten wie Rund- und Planlauf der Kugelgewinde sowie die Laufbahnqualität hinsichtlich Präzision, Rauigkeit und Welligkeit.

Daher schleift August Steinmeyer beispielsweise die Spindelgewinde in einem Durchlauf – auch die zweigängigen Ausführungen – und überschleift den Spindelgewinde-Außendurchmesser auf ganzer Länge auf Rundlauf. Die Rundlauftoleranzen der Lagerzapfen liegen dabei zwischen 5 und 15 µm.

Von Beginn an arbeitet das Unternehmen dabei mit gehärtetem Material. So kommt für Spindeln das auf eine Oberflächenhärte von 60 HRC gehärtete Linearwellenmaterial Cf53 zum Einsatz. Muttern werden in einer Aufspannung vorbearbeitet. In einer zweiten Aufspannung folgt die Feinbearbeitung von Innengewinde, Flansch und Zentrierbund. Auf diese Weise kann ein Rund- und Planlauf von unter 10 µm erreicht werden. Material ist der auf 62 HRC gehärtete Wälzlagerstahl 100Cr6.

Einsatz hochwertiger Materialien

Für die Härtung der Werkstoffe setzt August Steinmeyer ein spezielles Härteverfahren ein, das die mechanischen Eigenschaften der Materialien verbessert. Die Verwendung gehärteter Materialien hat viele Vorteile, darunter

  • eine bestmögliche Zähigkeit bei höherer Härte,
  • einen gleichzeitig geringeren Härteverzug,
  • verbesserte Prozessparameter,
  • eine Reduktion der Prozessschritte,
  • verbesserte Laufeigenschaften der Kugelgewindetriebe,
  • längere Lebensdauer.

Die Sorgfalt bei der Materialauswahl betrifft jedoch nicht nur die Werkstoffe für Spindeln und Muttern. Eine besondere Bedeutung für die anforderungsgerechte Funktion der Kugelgewindetriebe kommt auch der Art der Schmierung und der Auswahl des entsprechenden Schmiermittels zu. Gleiches gilt für die Wahl des Kugelmaterials und mögliche Beschichtungen.

Zur Verbesserung der Produkt- und Prozessqualität investiert August Steinmeyer zudem regelmäßig in die Entwicklung aktueller Fertigungstechnik. Dazu zählen beispielsweise das Optislite-Verfahren für verbesserte Laufeigenschaften bei Miniatur-Kugelgewindetrieben und das als Xi-Plus bezeichnete Fertigungsverfahren zur Steigerung der Oberflächenqualität von Präzisions-Kugelgewindetrieben. Diese Verfahren bringen zahlreiche weitere Vorteile mit sich:

  • Die optimierten Laufeigenschaften sorgen für eine höhere Laufruhe.
  • Die verringerten Reibmoment-Toleranzen steigern die Positioniergenauigkeit.
  • Der geringere Verschleiß verlängert die Lebensdauer der Kugelgewindetriebe.
  • Die reduzierte Geräuschentwicklung senkt ganz allgemein den Geräuschpegel während des Betriebs.
  • Die beiden Fertigungsverfahren verbessern die Energieeffizienz der Kugelgewindetriebe.

Moderner Maschinenpark sichert Qualitätsstandards

Um den Maschinenpark stets up to date zu halten, werden zurzeit Modernisierungen durchgeführt. In diesem Zusammenhang werden ältere Maschinen gegen neue ausgetauscht und eine neue Ölfilteranlage installiert, an die alle Gewindeschleifmaschinen sukzessiv angeschlossen werden. Die Ölanlage reinigt die Schleifemulsionen noch besser von Schleifrückständen und sorgt damit für höhere Qualitätsstandards beim Schleifprozess. Im Zuge dieser Modernisierung optimiert August Steinmeyer auch die Rüstzeiten und die Montageprozesse.

Bei der Fertigung haben die verschiedenen Produktgruppen auch unterschiedliche Anforderungen. Deshalb ist sie nun bei Steinmeyer entsprechend nach Standard- und Sonder-Kugelgewindetrieben sowie nach Miniatur- und Luftfahrt-Kugelgewindetrieben segmentiert. Überdies setzen die Albstädter auf Fließfertigung mit einer engen Abstimmung der einzelnen Prozessschritte. Ein schneller Informationsfluss und kurze Produktionswege sowie der Abbau von Schnittstellen tragen ebenfalls zu einer Optimierung der Fertigungsqualität bei.

Mit qualifizierten Fachkräfte die hohen Anforderungen erfüllen

Neben einem stets aktuellen Maschinenpark sind gut ausgebildete Fachkräfte und kompetente Ingenieure eine entscheidende Voraussetzung für qualitativ hochwertige Kugelgewindetriebe. August Steinmeyer bildet daher seine eigenen Fachkräfte in den Berufen Industriemechaniker, Zerspanungsmechaniker, Duales Studium Bachelor of Engineering Maschinenbau, Industriekaufmann, Fachkraft für Systemintegration und Fachkraft für Lagerlogistik aus. Zudem ist es wichtig, die Mitarbeiter regelmäßig zu schulen, denn nur wirklich gut ausgebildetes, motiviertes Personal kann die hohen Qualitätsanforderungen von der Entwicklung bis hin zur Fertigung und Montage von Kugelgewindetrieben erfüllen. Dazu gehört auch, penibel auf Sauberkeit während der Montage und des Einbaus der Kugelgewindetriebe zu achten, um die geforderten Eigenschaften zu erreichen.

Spezielle Prüfstände überwachen die Qualität

Einige der Qualitätskriterien für Kugelgewindetriebe können nach DIN 69051-3 beziehungsweise ISO 3408-3 beurteilt werden. Dazu zählen der zulässige Schwankungsbereich des Leerlauf-Drehmoments sowie der maximale Fehler bei der Steigungsgenauigkeit des Spindelgewindes und den Rund- und Planläufen. Auch die Mutternsteifigkeit lässt sich anhand einer Norm bewerten (DIN 69051-6 beziehungsweise ISO 3408-4). Die Einflüsse von Umlenkungen, Laufbahnqualität und ähnlichem auf das Laufverhalten, die Positioniergenauigkeit und die Lebensdauer von Kugelgewindetrieben können damit allerdings nicht erfasst werden. Deshalb entwickelten die Konstrukteure des Herstellers Prüfstände, mit denen die hohe Qualität an Kugelgewindetrieben überwacht werden kann. So werden beispielsweise bei größeren Kugelgewindetrieben hochgenau die Leerlauf-Drehmomente erfasst, Frequenzanalysen durchgeführt und bei Hochgeschwindigkeitsanforderungen die Geräuschentwicklungen detektiert. Für Minitatur-Kugelgewindetriebe entwickelte August Steinmeyer spezielle Prüfstände für die präzise Messung der Positioniergenauigkeit. Zusätzliche Prüfstände messen die Zylindrizität des Spindelgewindes, denn sie bestimmt ein weiteres wichtiges Merkmal eines guten Kugelgewindetriebs: den kontinuierlichen, nur minimal schwankenden Drehmomentverlauf.

Mit diesen Maßnahmen von der Entwicklung und Auswahl der Materialien bis zur Auslieferung der fertigen Produkte sichert August Steinmeyer die Qualität seiner Kugelgewindetriebe. Zudem ist das Unternehmen nach den Normen 9001 (Kugelgewindetriebe für herkömmlichen Maschinen- und Apparatebau) und 9100 (Kugelgewindetriebe für die Luftfahrtbranche) zertifiziert.

* Dipl.-Ing. (FH) Wolfgang Klöblen ist Entwicklungsleiter bei der August Steinmeyer GmbH & Co. KG in 72458 Albstadt, Tel. (0 74 31) 12 88-0, info@steinmeyer.com

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