Inhaltsverzeichnis
1. Kugelgewindetriebe – geeignet für Spritzgießmaschinen
2. Neue Werkstoffe und gekühlte Mutter
3. Anspruchsvolle Anwendung in den Schließeinheiten
4. Spezielle Kugelführung
Im Kunststoffmaschinenbau geht der Trend klar zu vollelektrischen Maschinen. Bei ihnen sind nicht, wie jahrzehntelang üblich, Hydraulikzylinder für das Schließen und Öffnen des oft tonnenschweren Werkzeugs sowie für das Betätigen der Einspritzaggregate verantwortlich. Stattdessen übernehmen elektrische Linearantriebe, das heißt Kugelgewindetriebe, diese Aufgabe.
Die elektrischen Antriebe bieten den Vorteil, dass sie sich präzise regeln lassen. Nicht nur die Positionierung, auch das Beschleunigungs- und Verzögerungsverhalten ist exakt und reproduzierbar steuerbar. Außerdem können definierte Bewegungsprofile programmiert werden. Das ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn präzise Bauteile mit kurzen Zykluszeiten gefertigt werden soll. Ein weiterer Vorteil, der immer mehr an Bedeutung gewinnt: Elektrische Spritzgießmaschinen verbrauchen weniger Energie. Bei einer Maschine mit einer Schließkraft von 350 t sind Einsparungen von 40 bis 80 % möglich, was vor allem daran liegt, dass die Anlagen nur dann Energie verbrauchen, wenn tatsächlich ein Spritzgießprozess stattfindet.
Kugelgewindetriebe – geeignet für Spritzgießmaschinen
Dass mit NSK ein japanischer Hersteller von Linearsystemen eine führende Position in diesem anspruchsvollen Bereich der elektromechanischen Antriebstechnik einnimmt, ist kein Zufall. Aufgrund der Erdbebengefahr und des damit verbundenen Brandrisikos durch Hydrauliköl gab es in Japan in den 1980er Jahren frühzeitig Bestrebungen, vollelektrische Spritzgießmaschinen einzusetzen. Damals präsentierte NSK die erste Generation der HTF-Kugelgewindetriebe, die explizit für Hochlast-Anwendungen entwickelt worden ist und sich unter anderem durch besonders große Kugeln auszeichnet. Die Laufbahngeometrie von Gewindespindel und Mutter sowie die spezifizierten Eigenschaften der verwendeten Werkstoffe und Muttern wurden während der Entwicklung dieser Baureihe ebenso an den Anwendungsfall angepasst wie die Oberflächenbeschaffenheit aller im Eingriff befindlichen Bauteile.
CMZ nutzt seit 25 Jahren Lineartechnik von NSK zum Bau von Drehmaschinen
Neue Werkstoffe und gekühlte Mutter
Eine aktuellere Neuentwicklung der Baureihe HTF steigert die Lebensdauer von Schwerlast-Kugelgewindetrieben nochmals. Bei der Baureihe S-HTF sind Spindeln und Muttern aus dem Werkstoff „Tough Steel“ gefertigt, der eine optimale Kombination aus Härte und Zähigkeit bietet. Deshalb entwickeln sich keine Risse, wenn Verschmutzungen im Fett durch Überrollen ins Material zu Eindrücken führen. Stattdessen wird die Oberfläche durch die Belastung des Überrollens wieder geglättet. Das hat zur Konsequenz, dass die S-HTF-Spindeln im Vergleich zu den HTF-Baureihen eine um den Faktor 2,2 höhere Lebensdauer und eine 1,3fach höhere dynamische Tragfähigkeit erreichen.
Nicht nur für die HTF-Baureihe bietet sich insbesondere bei Anwendungen mit kurzen Bewegungen in hohen Taktraten und hohen Anforderungen an die Präzision der Einsatz von Kugelgewindetrieben mit gekühlter Mutter an. Dieses Konzept ermöglicht eine deutlich bessere Temperierung – und damit ein präziseres Positionieren – als die bislang verwendete Kühlung durch die Hohlwellenspindel. Denn der Antrieb wird genau dort temperiert, wo die Wärme entsteht, nämlich an der Kontaktfläche von Mutter und Spindel.
Anspruchsvolle Anwendung in den Schließeinheiten
Führende, auch europäische Hersteller, setzen die HTF-Baureihe, die inzwischen in verschiedenen Serien (HTF-SRC, HTF-SRD…) zur Verfügung steht, in ihren elektrischen Spritzgießmaschinen ein – und haben dafür gute Gründe: Insbesondere die Anwendung in den Schließeinheiten ist anspruchsvoll. Aufschlussreich ist in diesem Zusammenhang ein von NSK durchgeführtes Projekt zur Optimierung einer vorhandenen Baureihe von Spritzgießmaschinen. Das Projekt startete mit der Bitte eines Maschinenherstellers um Einschätzung und Analyse. Bei einer neuen Baureihe im mittleren Leistungsbereich von 70 kN (Maximalbelastung 170 kN) mussten nach nur kurzer Betriebszeit – etwa zwei bis Monate – die Kugelgewindetriebe mit einem Durchmesser von 63 ausgetauscht werden. Obwohl der Maschinenhersteller Spindelantriebe eines renommierten europäischen Herstellers verwendete, machte schon die Geräuschentwicklung an den Spindeln deutlich, dass ein Austausch nötig war. Grund für die erhöhte Geräuschentwicklung war der fortgeschrittene Verschleiß, der weit früher einsetzte als berechnet. Die Analyse zeigte die von den NSK-Ingenieuren bereits erwarteten Ergebnisse: Im Fett wurden Abriebpartikel gefunden, obwohl die errechnete Lebensdauer der Spindeln um ein Vielfache höher war als die tatsächliche Laufzeit. Der Grund dafür: Bei hoher Belastung bewegen sich die Kugeln eines Kugelgewindetriebs in gegenläufiger Drehrichtung zueinander. Das bewirkt den Abrieb zwischen den Kugeln, der im Fett gemessen wurde. Zusätzlich kommt es zu einer Relativbewegung der Kugeln zueinander – trotz gleicher Laufrichtung. Dieser Effekt erklärt sich damit, dass die Differenz im Druckwinkel bei einem Kugelumlauf unter unterschiedlichen Lasten zu unterschiedlichen Umlaufgeschwindigkeiten führt, denn jede Kugel trägt aufgrund von Verformungen im System anders. Deshalb geraten die Kugeln in Kontakt miteinander, Stahlpartikel an der gehärteten Kugeloberfläche lösen sich und werden im Fett mitgeführt. Wenn diese Partikel überrollt werden, treten Schäden an den Laufflächen in Form von Rissen auf. Das Schadensbild verstärkt sich selbst – so erklärt sich die kurze Lebensdauer der Kugelgewindetriebe. Dieses Problem ist bei Schwerlastspindeln nicht nur bekannt, NSK hat auch eine Lösung dafür entwickelt, und zwar die patentierte S1-Kugelführung. Sie verhindert selbst unter ungünstigen Umgebungsbedingungen den direkten Kugel-Kugel-Kontakt.
Spezielle Kugelführung
NSK schlug dem Maschinenhersteller einen Test mit einer solchen Spindel vor und fertigte nach der Zustimmung mehrere Prototypen, die in den Maschinen verbaut wurden. Der Hersteller nahm im Vier-Wochen-Abstand Fettproben und schickte sie zur Untersuchung an NSK. Bei den ersten beiden Tests wurde ein erwartbarer Abrieb gemessen, weil Spindel und Kugel erst einlaufen müssen. Nach Abschluss dieses Glättungseffektes kam es aber nur noch zu minimalem Abrieb. Die Kugelgewindetriebe, das zeigten die Probenergebnisse, laufen verschleißfrei und erreichen nachweislich die errechnete Lebensdauer. Als Konsequenz aus dieser Testreihe entschied sich der Kunststoffmaschinenbauer für eine Umrüstung der Baureihe auf die HTF-Kugelgewindetriebe. Diese Entscheidung erwies sich als richtig. In der Folge sind keine Kundenbeschwerden wegen frühzeitiger Sonderausfälle mehr aufgetreten. (sc)
