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Optimierte Lebensdauer von Einzelmutter-Kugelgewindetrieben dank innovativer Vorspannungsanpassung

November 2023
22
Autor: M. Sc. Julian Manthei
Firma: Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen IFW, Leibniz Universität Hannover
Optimierte Lebensdauer von Einzelmutter-Kugelgewindetrieben dank innovativer Vorspannungsanpassung

Aufgrund des hohen Wirkungsgrades von bis zu 98 % werden in Werkzeugmaschinen fast ausschließlich KGT als Vorschubsachsen verwendet. Die Vorspannung wird durch die konstruktive Auslegung der Mutter definiert und beeinflusst die Steifigkeit und das dynamische Verhalten der Vorschubsachse. Eine hohe Steifigkeit der Achse verringert während der spanenden Bearbeitung Positionierfehler infolge der aus dem Prozess resultierenden statischen und dynamischen Kräfte. Auch das Hystereseverhalten bei der Umkehrbewegung der Achse wird durch eine höhere Vorspannung positiv beeinflusst.

Neben den genannten Vorteilen haben hohe Vorspannungen jedoch eine erhöhte Materialermüdung und damit eine verringerte nominelle Lebensdauer zur Folge. Der Verschleiß führt weiterhin zur Abnahme des Kugeldurchmessers und zu einem daraus resultierenden Steifigkeitsverlust von bis zu 22 %. Dies hat wiederum negative Auswirkungen auf die Positionierungsgenauigkeit der Vorschubachse. Bei der Wahl der Vorspannung muss daher aktuell ein Kompromiss zwischen den positiven Effekten hoher Vorspannung und den negativen Effekten der dadurch auftretenden Materialermüdung gewählt werden.

Aus diesem Grund entwickelt und erforscht das Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover Möglichkeiten der Vorspannung von KGT im Betrieb. Die belastungsorientierte Vorspannungsadaption hat das Potenzial die Lebensdauer eines KGT deutlich zu erhöhen und gleichzeitig den Verlust der Positionierungsgenauigkeit zu minimieren. Dies konnte bereits durch eine vorangegangene wissenschaftliche Untersuchung des IFW zur Vorspannungsadaption bei Doppelmuttern im Projekt „Zustandsorientierte Vorspannungsadaption in Kugelgewindetrieben durch Hydrodehnkissen” nachgewiesen werden. In diesem Projekt wurde mittels eines Aktors zwischen den Doppelmutterpaaren die Möglichkeit zur Vorspannungsadaption geschaffen. Durch den sich im Kraftfluss befindlichen Aktor kommt es jedoch zu einem richtungsabhängigen Steifigkeitsverlust.

Im DFG-Projekt „Grundlagen der Vorspannungsadaption bei Kugelgewindetrieben mit Einzelmutter“ forscht das IFW daher zurzeit an einer neuartigen Vorspannungsadaption. Vergleichbar zu einem Hydrodehn-Spannfutter wird eine Kavität in den Mutterkörper eingebracht und mit Hydraulik-Öl gefüllt. Gegenstand der aktuellen Forschung ist die durch eine Druckerhöhung eintretende radiale Verformung der Mutter und daraus resultierende Steigerung des Kontaktdrucks im Kugel-Laufbahn-Kontakt. Die so eintretende Vorspannungserhöhung bietet die Möglichkeit einer belastungsgerechten Vorspannungsadaption, wodurch die Lebensdauer eines KGT deutlich erhöht werden kann.

Für weitere Informationen steht Ihnen Julian Manthei, Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen der Leibniz Universität Hannover, unter Telefon +49 511 762 18385 oder per E-Mail ([email protected]) gern zur Verfügung.

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