Kugelgewindetriebe

Trend: Elektromechanik ersetzt Hydraulik

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Der Trend zur elektromechanischen Antriebstechnik in Kunststoffmaschinen hält weiter an. Eine aktuelle Neuentwicklung von NSK erlaubt den Einsatz von kleineren Kugelgewindetrieben. Erreicht wird das durch einen speziellen Werkstoff, der eine höhere dynamische Tragfähigkeit und somit eine höhere Lebensdauer der Spindeln ermöglicht. So spart der Maschinenhersteller Bauraum und – was mindestens ebenso wichtig ist – Kosten.

Andreas Kropp, Application Engineering Manager Precision, NSK Deutschland

Elektromechanik oder Hydraulik? Diese Frage stellt sich für Hersteller und Anwender von Kunststoff-Spritzgießmaschinen. Die Elektromechanik befindet sich im Wettstreit der Antriebstechnologien in der Angreiferposition, da die Hauptantriebe der Spritzgießmaschinen – die Schließ- und die Einspritzeinheiten – traditionell über Hydraulikzylinder betätigt werden. Es setzen sich aber immer häufiger elektrische Antriebe durch, bei denen Servomotoren und Kugelgewindetriebe sowie hochpräzise Linearführungen zum Einsatz kommen.
Gute Gründe für servoelektrische Antriebe
Für diesen Trend gibt es gute Gründe – z. B. die Reproduzierbarkeit der Bewegungsabläufe. Aufgrund der Trägheit der Druckflüssigkeit lassen sich die Achsen nicht so dynamisch ansteuern wie bei elektrischen Antrieben, die eine deutlich bessere Positionierung erlauben. Auch ist die dabei übertragene Kraft exakt steuerbar, während es bei hydraulischen Antrieben prinzipbedingt zu einem „Einschwingen“ auf die angestrebte Kraft hin kommt.
Somit ermöglichen servoelektrische Antriebe präzisere Bewegungen mit definierten Beschleunigungsprofilen und definierter Kraft. Das schafft die Voraussetzung für eine Verkürzung der Taktzeiten. Weitere Vorteile der Elektroantriebe sind die deutlich geringeren Geräuschemissionen und die hohe Energieeffizienz: Elektrische Kunststoffmaschinen benötigen bei gleicher Leistung deutlich weniger Energie als hydraulische, da die Antriebsmotoren nur bei Bewegung laufen, während hydraulische Pumpen immer fördern müssen.
Kugelgewindetriebe für Kunststoffmaschinen
Alle namhaften Anbieter von Spritzgießmaschinen haben heute voll- oder teilelektrische Maschinen im Programm. Besonders hoch ist deren Marktanteil in Japan, denn die asiatischen Hersteller haben sich – zum Teil getrieben durch gesetzliche Anforderungen – noch früher mit elektrischen Präzisionsantrieben beschäftigt als die europäischen Produzenten. Die Folge: Rund 90 % aller neu in Betrieb genommenen Spritzgießmaschinen sind mit elektrischen Antrieben für Schließ- und/ oder Spritzeinheiten ausgestattet.
Das ist ein wesentlicher Grund dafür, dass sich NSK als wohl weltgrößter Hersteller von Kugelgewindetrieben frühzeitig und intensiv mit elektromechanischen Antrieben von Kunststoffmaschinen beschäftigt hat. Schon Mitte der 1990er-Jahre wurden speziell für diesen Anwendungsfall die Kugelgewindetriebe der HTF-Serie entwickelt. Sie zeichnen sich durch eine einzigartige Kombination von Genauigkeit und Zuverlässigkeit aus und konnten dadurch einen hohen Marktanteil in elektrischen Spritzgießmaschinen erreichen.
Entwickelt für anspruchsvolle Anwendungen
Zu den Kennzeichen der HTF-Baureihe gehört das optimale Verhältnis von Kugeldurchmesser und Gewindesteigung. Die Laufbahngeometrie der Gewindespindel und der Mutter sowie die Materialspezifikation und deren Paarung (Mutter/Kugel/Spindel) sind ebenso wichtige Faktoren für die hohe Leistungsfähigkeit wie die hochpräzise Bearbeitung und Oberflächenbeschaffenheit aller Komponenten.
Die Baureihe wurde und wird kontinuierlich weiterentwickelt. 2007 stellte NSK beispielsweise das A1-Dichtungskonzept vor, das den Schmiermittelaustrag aus der Mutter signifikant reduziert. Neben den offenkundigen Umweltaspekten bietet dieses Konzept auch ökonomischen Nutzen, denn ein geringerer Austrag vermindert den Schmiermittelverbrauch. Darüber hinaus verringern sich die Betriebskosten über die Verlängerung der nötigen Wartungs- bzw. Schmierintervalle der mit A1-Dichtungen ausgestatteten HTF-Spindeln. Zudem wirkt das sehr gute Fettrückhaltevermögen der Dichtung einer Mangelschmierung entgegen.
Kugelgewindetriebe mit höherer Leistungsdichte
Aktuell führt NSK die neu entwickelte Serie S-HTF im Markt ein. Sie zeichnet sich durch höhere Leistungsdichte aus, erreicht also bei gleicher Baugröße eine höhere dynamische Tragfähigkeit und damit auch eine deutlich längere Lebensdauer.
Erreicht wird dies hauptsächlich durch die Verwendung des von NSK entwickelten Werkstoffs TF – hier zeigen sich einmal mehr die Vorteile der Werkstofftechnik als einer der vier Kernkompetenzen des Herstellers – in Kombination mit einer besonderen Wärmebehandlung. Die TF-Technologie erhöht die Widerstandsfähigkeit der Materialoberfläche gegen Verschleiß durch ein optimiertes Verhältnis von Härte und Zähigkeit.
Wenn bei einem konventionellen Kugelgewindetrieb eine Verunreinigung zwischen Kugeln und Lauffläche gerät, wird sie in die Lauffläche eingedrückt und es entstehen Eindrücke, die am Übergang zur Lauffläche Aufwerfungen bilden. Diese Aufwerfungen führen beim wiederholten Überrollen der Kugeln zu hoher Spannung im Gefüge, die wiederum dazu führt, dass sich Risse bilden können. Rissbildung und die daraus resultierenden Ausbrüche verkürzen die Lebensdauer der Spindel.
Dieses Schadensbild tritt insbesondere auf den letzten Millimetern des Verfahrwegs auf, d. h. kurz vor dem Schließen der Werkzeughälften. Hier wirken besonders hohe dynamische Kräfte auf den Kugelgewindetrieb, die diese Spannungen auslösen.
Verdoppelte Lebensdauer, höhere Tragfähigkeit
Bei den Kugelgewindetrieben der S-HTF-Serie entstehen die Aufwerfungen am Rand der Eindrücke – und mit ihnen die auf das Gefüge einwirkenden Belastungen – in gleicher Weise. Beim nachfolgenden Überrollen werden die Aufwerfungen aber einfach wieder geglättet. Damit reduzieren sich die Kantenspannungen in diesem Bereich erheblich. Gleichzeitig bietet das Material den Vorteil, keine Verschleißpartikel zu generieren. Aufgrund der verringerten Spannungen reduziert sich die Werkstoffermüdung, und die Spindel erreicht eine längere Lebensdauer.
Versuchsreihen auf einem Dauerprüfstand im NSK-Labor zeigen, dass die TF-Technologie bei Kugelgewindetrieben in der Praxis zu einer mehr als verdoppelten Lebensdauer (Faktor 2,2) und einer um den Faktor 1,3 erhöhten dynamischen Tragfähigkeit führt. Dieser Vergleich bezieht sich auf die Standard-HTF-Serie, die im allgemeinen Marktvergleich schon sehr gute Tragfähigkeiten und eine sehr hohe Lebensdauer aufweist.
Die neue Serie ist ab sofort mit Spindeldurchmessern von 50 bis 100 mm und – je nach Durchmesser – Steigungen von 10 bis 60 verfügbar. Für die Hersteller von Kunststoffmaschinen bedeutet das: Sie können eine kleinere Baugröße der Spindel wählen und damit nicht nur Bauraum, sondern auch Kosten sparen. Das ist gerade im wettbewerbsintensiven Volumenmarkt der Spritzgießmaschinen ein wichtiger Faktor. Zugleich erhöht sich auch die Lebensdauer der Spindel deutlich, sodass der Anwender der Maschine von längerer Einsatzdauer und geringerem Wartungs- bzw. Reparaturaufwand profitiert. bec
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