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Die Erfindung betrifft einen Kugelgewindetrieb mit einstellbarer Vorspannung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Kugelgewindetriebe werden bei Werkzeugmaschinen vielfach eingesetzt, um Lasten schnell linear zu bewegen bzw. genau zu positionieren. Dabei wird die Drehbewegung einer motorgetriebenen Spindel mittels einer Mutter in eine Linearbewegung, z. B. eines Flasches an dem ein Werkzeugtisch angeschraubt ist oder eines Spindelkastens, umgesetzt. In der Mutter werden die Kugeln in einer schraubenförmigen Laufbahn geführt.
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Es gibt Muttern die zweigeteilt sind, um über ein zwischengeschaltetes Federpaket oder ein nachstellbares Gewinde, eine Vorspannung zu erzielen. Diese Vorspannung ist in diesem Fall unabhängig von Fertigungstoleranzen und vom Verschleiß.
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Zunehmend werden aber auch Einzelmuttern verwendet, bei denen die Vorspannung durch ein entsprechendes Übermaß der Kugeln von wenigen Mikrometern erzeugt wird. Da in dieser Ausführung die Kugeln an 4 Punkten anliegen (4-Punkt-Kontakt), werden diese im Betrieb zum Gleiten gezwungen, was natürlich zu einem gewissen Abrieb führt. Dadurch verringert sich die Vorspannung während der Lebensdauer. Die verringerte Vorspannung kann bei kritischen Bearbeitungsprozessen z. B. bei Einsatz in einer Werkzeugmaschine zu unzulässigen Arbeitsergebnissen an den Bearbeitungsoberflächen führen. Erwähnt sei hier das Schleifen von Zahnrädern, wo die Anforderung an die Genauigkeit und Oberfläche der Flanken extrem hoch ist.
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Störend bei hochgenauen Bearbeitungsprozessen sind auch Fehlstellen wie Grübchen (Pitting) bzw. Rattermarken im Spindeltrieb, die durch Materialermüdung oder durch Überbeanspruchung entstehen können, da diese einen diskontinuierlichen Vorschub an der Werkzeugmaschine verursachen.
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Ein Kugelgewindetrieb ist ein empfindliches Bauteil und stellt immer einen Kompromiss dar zwischen hoher Steifigkeit und Genauigkeit durch große Vorspannung oder hohen Verfahrgeschwindigkeiten bei niedrigerer Genauigkeit und Vorspannung.
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Anwendungen die demnach sowohl eine hohe Positioniergeschwindigkeit und eine hohe Steifigkeit erfordern, bzw. unkontrollierten Überlastungen ausgesetzt sind, können dazu führen, dass ein Kugelgewindetrieb durch hohen Verschleiß bzw. Überbeanspruchung frühzeitig und unplanbar ausfällt. Insbesondere bei speziellen Maschinen sogenannten Engpassmaschinen bzw. solchen mit einem hohen Verfügbarkeitsanspruch, wird dadurch ein großer wirtschaftlicher Schaden verursacht.
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Aus
DE102013225467 ist eine Vorspannungsüberwachung bei Systemen mit einer 4 Punkt Kugel Auflage bekannt.
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Heute teilweise verwendete indirekte Kraftmessungen über den Strom des Antriebsmotors sind ungenau, und infolge hoher Trägheitsmomente nicht dynamisch genug, um Schädigungen der Kugelgewindetriebe wirkungsvoll zu verhindern.
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Aus der
EP0569959 ist ein Kugelgewindetrieb mit einer einstellbaren Vorspannung bekannt. Zwischen den zwei Mutterteilen ist ein Aktor vorgesehen, mit Hilfe dessen die Vorspannung einstellbar ist. Beispielhaft sind als Aktoren Piezoelemente genannt. Derartige zusätzliche Elemente sind teuer, aufwendig, für raue Maschinenumgebungen nur bedingt geeignet. Außerdem ist die Herstellung der Piezoelemente für solche Spaltmasse mit der notwendigen Präzision auch mit extrem hohem Aufwand so gut wie nicht möglich.
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Aus der
DE4403724 ist ein Kugelgewindetrieb mit zwei Mutterteilen bekannt, wobei ein hydraulisch betätigbares Schubelement vorgesehen ist, das zur Einstellung der Steifigkeit dient.
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Aufgabe der Erfindung ist es einen Kugelgewindetrieb mit einstellbarer Vorspannung anzugeben, der die oben genannten Nachteile nicht aufweist, der für den Dauereinsatz in rauen Maschinenumgebungen geeignet ist und der einfach und kostengünstig herstellbar ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 herkömmlicher Kugelgewindetrieb ohne einstellbare Vorspannung mit einer Mutter
- 2 Kugelgewindetrieb mit einer Doppelmutter sehr schematisch
- 3 Darstellung der Verformung des Kugelgewindetriebs gem. 2 nach einer FEM Berechnung
- 4 Kugelgewindetrieb mit einer Doppelmutter sehr schematisch wie 2 aber als einfachere Ausführungsform
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In 1 ist ein herkömmlicher Kugelgewindetrieb 1, der einen speziellen Wälzschraubentrieb darstellt, mit einer Spindel 5 und einer Flanschmutter 6 dargestellt. Die Spindel 5 mit einem typischen Durchmesser von 30 mm- 60 mm weist eine Laufrille 7a auf, die zusammen mit einer in der Mutter 6 vorgesehenen eine Laufbahn 7 bildet. An der Flanschseite der Mutter 6 ist eine Endkappe 14 mit Dichtung vorgesehen. Der eigentliche Motor für den Spindelantrieb ist nicht dargestellt. An der Mutter 6 kann z. B. ein Flansch oder ein Spindelkasten für ein Werkstück vorgesehen sein. Als Wälzkörper dienen mehrere Kugeln 12, die in einem Rückführsystem mit einem Rücklaufkanal 8 kontinuierlich umlaufen.
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Durch die Drehbewegung der Spindel 5 wird die Mutter 6 und damit der Flansch linear verfahren.
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Es gibt auch Kugelgewindetriebe mit einer Doppelmutter. In 2 ist ein solcher Kugelgewindetrieb sehr schematisch dargestellt. Die Doppelmutter besteht aus zwei Mutterteilen 6a, 6b, die über ein Gewinde GW miteinander verschraubt sind.
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Zur Einstellung der Vorspannung ist eine Verschiebeanordnung V vorgesehen, mit der die Verspannung der beiden Mutterteile 6a, 6b eingestellt werden kann. Die Verschiebeanordnung V besteht im Wesentlichen aus einer Druckkammer DK, einer Ausgleichskammer AK und einem einstückigen Hebelelement HE (umlaufender Flansch). Das Hebelelement HE besteht aus einem langen Kraftarm KA und einem kurzen zweigeteilten Lastarm LA1 bzw. LA2, der jeweils auf eines der Mutterteile 6a, 6b wirkt und diese quasi zueinander zieht.
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Wird die Druckkammer DK mit einem hohen Druck bis zu 1000 bar beaufschlagt, ergeben sich Verformungen, im Bereich der Verschiebeanordnung V, die sich als Spannungskräfte und damit als Änderung der Vorspannung auswirken. Die Stärke der Verformungen kann der 3 entnommen werden. Die übertrieben dargestellten Verformungen basieren auf FEM-Berechnungen.
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Das „freie“ Ende des Kraftarms KA wird am stärksten verschoben. Über die beiden Lastarme LA1 und LA2 wird diese Verschiebung als Spannung aufgrund einer minimalen Abstandsänderung weitergegeben. Im Ergebnis findet eine stärkere Verpressung der beiden Mutterteile 6a und 6b statt.
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Mittels Druckbeaufschlagung der Druckkammer DK wird der axiale Abstand der beiden Mutterteile mit dem mechanischen Hebelelement HE eingestellt, um somit die Vorspannung des Kugelgewindetriebs quasi kontinuierlich und schnell einstellen zu können.
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In einer Weiterentwicklung der Erfindung können beide Kammern DK und AK mit Druck beaufschlagt werden. In diesem Fall kann der Hebelarm HA in beide Richtungen verschoben werden. In der Mittelstellung (Neutralstellung) des Hebelarms HA wird eine gewisse Grundspannung erzeugt.
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Bei einem hochpräzisen Arbeitsschritt bzw. Schwerbearbeitung wird der Hebelarm HA nach rechts verschoben in dem die Kammer DK mit Druck beaufschlagt wird. Bei einem freien Verfahren bzw. Eilgang des Kugelgewindetriebs wird dann der Hebelarm HA nach links Verfahren, wodurch die Vorspannung erheblich reduziert wird. Bei einem Arbeitsschritt mit keinen hohen Präzisionsanforderungen (Grundvorspannung) herrscht keine Druckdifferenz zwischen den beiden Kammern und der Hebelarm HA befindet sich in der Mittelstellung.
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Mit der Erfindung wird möglich, den Vorschub von Werkzeugen je nach gewünschter Bearbeitungspräzision definiert einzustellen. Hohe Präzision hohe Vorspannung geringe Präzision geringe Vorspannung und beim freien Verfahren so gut wie keine Vorspannung. Beim eigentlichen Bearbeitungs- oder Umformvorgang wird mit maximal vorgespanntem Kugeltrieb gefahren, um die maximale Genauigkeit zu gewährleisten. Dadurch kann die Lebensdauer eines Kugelgewindetriebs erheblich verlängert werden.
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Die Erfindung erlaubt eine einfache und kostengünstige, rein mechanische, für raue Maschinenumgebungen geeignete Einstellbarkeit der Vorspannung eines Kugelgewindetriebs. In der Regel sind Hydraulikleitungen in der Nähe von derartigen Maschinen vorhanden, so dass keine großen Umbaumaßnahmen erforderlich sind, um die Hydraulikeinrichtung für Drücke bis 1000 bar zu installieren.
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4 zeigt einen Kugelgewindetrieb mit einer Doppelmutter sehr schematisch wie 2 aber als einfachere Ausführungsform mit einem zur Längsachse des Kugelgewindetriebs parallel verlaufenden mechanischen Hebelelements HE. Der Grundkörper 6a weist im Bereich des Hebelarms HA keine schräge sondern eine parallel zur Längsachse verlaufende Ausnehmung auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013225467 [0008]
- EP 0569959 [0010]
- DE 4403724 [0011]
