Kugelgewindetriebe: Individuell abgestimmt, präzise im Submikrometerbereich

Um dies zu erreichen, kommt es entscheidend auf die Materialien, Fertigungsverfahren, Montage sowie Mess- und Prüfeinrichtungen an.

Kugelgewindetriebe sind im Maschinen- und Apparatebau ein unersetzliches Antriebselement für die Realisierung dynamischer und gleichzeitig exakter Positionieraufgaben. Dabei erfordert jede Aufgabe ihren eigenen speziellen Kugelgewindetrieb. Damit hat sich dieser zu einem Bauteil entwickelt, das ein hohes Maß an Spezialisierung verlangt. „Bei der Produktion hochpräziser Kugelgewindetriebe spielen Faktoren wie Materialien, Fertigungsverfahren und Montage sowie Mess- und Prüfeinrichtungen eine entscheidende Rolle“, erklärt Jens-Uwe Gühring, Vertriebsleiter beim Spezialisten August Steinmeyer. „Auch Ausbildungsstand und Qualifikation der Fachkräfte beeinflussen maßgeblich die Qualität der Produkte.

Daher produzieren wir unsere Kugelgewindetriebe ganz bewusst vollständig in Deutschland“, so Gühring. Das Albstädter Traditionsunternehmen investiert regelmäßig in neueste Technologien und ergreift viele qualitätsverbessernde und -sichernde Maßnahmen. Besonders strenge Auflagen gelten für Kugelgewindetriebe für die Luft- und Raumfahrt.

Auf neue Technologien setzen

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 Spindelgewindeaußendurchmesser auf ganzer Länge auf Rundlauf. Die Rundlauftoleranzen der Lagerzapfen liegen dabei zwischen 5 und 15 Mikrometer.

Von Beginn an arbeitet der Hersteller 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 erreicht der Hersteller Rund- und Planläufe von unter zehn Mikrometern. Material ist der auf 62 HRC gehärtete Wälzlagerstahl 100Cr6.

Gehärtete Materialien verwenden

Für die Härtung der Werkstoffe setzt der Hersteller ein spezielles Härteverfahren ein, das die mechanischen Eigenschaften der Materialien erheblich verbessert. Die Verwendung gehärteter Materialien hat viele Vorteile; darunter eine bestmögliche Zähigkeit bei höherer Härte und einen gleichzeitig deutlich geringeren Härteverzug sowie verbesserte Prozessparameter und eine Reduktion der Prozessschritte. Darüber hinaus verbessern sich Laufeigenschaften und Lebensdauer der Kugelgewindetriebe wesentlich.

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.

Zudem investiert das Unternehmen zur Verbesserung der Produkt- und Prozessqualität regelmäßig in die Entwicklung neuester Fertigungstechnologien. Dazu zählen beispielsweise in jüngerer Zeit das OptiSlite-Verfahren für eine Verbesserung der Laufeigenschaften bei Miniatur-Kugelgewindetrieben und die Xi-Plus-Technologie für die Steigerung der Oberflächenqualität von Präzisions-Kugelgewindetrieben.

Diese Technologien bringen zahlreiche weitere Vorteile mit sich: So sorgen die optimierten Laufeigenschaften für eine höhere Laufruhe. Die verringerten Reibmoment-Toleranzen steigern die Positioniergenauigkeit. Der geringere Verschleiß verlängert die Lebensdauer der Kugelgewindetriebe und die reduzierte Geräuschentwicklung senkt ganz allgemein den Geräuschpegel während des Betriebs. Und nicht zuletzt verbessern beide Verfahren die Energieeffizienz der Kugelgewindetriebe.

Des Weiteren hält August Steinmeyer seinen Maschinenpark stets up to date. Auch zurzeit werden Werk und Maschinenpark modernisiert. 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 deutlich höhere Qualitätsstandards beim Schleifprozess.

Im Zuge der Modernisierung des Maschinenparks optimiert der Hersteller auch die Rüstzeiten und die Montageprozesse. Um bei der Fertigung den Anforderungen der verschiedenen Produktgruppen gerecht zu werden, hat das Unternehmen seine Fertigung 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.

Neben einem stets aktuellen Maschinenpark sind gut ausgebildete Fachkräfte und kompetent beratende, erfahrene Ingenieure eine entscheidende Voraussetzung für qualitativ hochwertige Kugelgewindetriebe. Die Albstädter bilden daher ihre eigenen Fachkräfte in den Berufen Industriemechaniker, Zerspanungsmechaniker, Duales Studium Bachelor of Engineering Maschinenbau, Industriekaufmann, Fachkraft für Systemintegration und Fachkraft für Lagerlogistik aus. Zudem schult das Unternehmen seine Mitarbeiter regelmäßig. „Jeder einzelne Mitarbeiter lebt unseren unternehmensinternen kontinuierlichen Verbesserungsprozess“, bestätigt Gühring. Dazu gehört auch, penibel auf Sauberkeit während der Montage und dem Einbau der Kugelgewindetriebe zu achten, um die geforderten Eigenschaften zu erreichen.

Prüfverfahren und Normen

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 DIN beziehungsweise ISO-Norm bewerten (DIN 69051-6 respektive ISO 3408-4). Die Einflüsse von Umlenkungen, Laufbahnqualität und ähnliches auf das Laufverhalten, Positioniergenauigkeit und die Lebensdauer von Kugelgewindetrieben können damit allerdings nicht erfasst werden.

Doch der Hersteller hat auch dafür eine Lösung gefunden: Die Konstrukteure des Unternehmens entwickelten eine Reihe von Prüfständen, mit denen die hohen Qualitätsanforderungen an Kugelgewindetriebe überwacht werden können. So werden beispielsweise bei größeren Kugelgewindetrieben hochgenau die Leerlauf-Drehmomente erfasst, Frequenzanalysen durchgeführt und bei Hochgeschwindigkeitsanforderungen die Geräuschentwicklungen detektiert. Für Minitatur-Kugelgewindetriebe entwickelte das Unternehmen spezielle Prüfstände für die hochpräzise 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.

Der Hersteller Steinmeyer ist nach den Normen 9001 (Kugelgewindetriebe für herkömmlichen Maschinen- und Apparatebau) und 9100 (Kugelgewindetriebe für die Luftfahrtbranche) zertifiziert. Mit diesen umfassenden Maßnahmen von der Entwicklung und Auswahl der Materialien bis zur Auslieferung der fertigen Produkte sichern die Albstädter die Qualität ihrer Kugelgewindetriebe.

Quelle: Wolfgang Klöblen, August Steinmeyer