Kugelrückführungssysteme, Auswahl der Kugelumlaufspindel und Schmierung der Kugelumlaufspindel.

Die Spezifizierung der richtigen Kugelumlaufspindel für eine bestimmte Anwendung gewährleistet Maschinengenauigkeit, Wiederholbarkeit und Lebensdauer und minimiert gleichzeitig die Gesamtbetriebskosten.

Ein Kugelumlaufspindelantrieb wandelt eine Drehbewegung in eine lineare Bewegung um oder umgekehrt und kann hohe Schublasten aufbringen oder aushalten – statische Kapazität von mehr als 750.000 Pfund bei Verwendung einer Kugelumlaufspindelbaugruppe mit einem Durchmesser von 6.000 Zoll – mit einem Wirkungsgrad von typischerweise mehr als 90 %. Kugelumlaufspindeln helfen bei der Führung, Unterstützung, Positionierung und präzisen Bewegung von Komponenten und Produkten in einer Reihe von Automatisierungsanwendungen.

Ein Kugelgewindetrieb besteht aus einer Kugelumlaufspindel und einer Kugelmutter mit Kugelumlauflagern. Die Schnittstelle zwischen Spindel und Mutter wird durch Kugellager hergestellt, die in den passenden Formen in der Kugelumlaufspindel und der Kugelmutter abrollen. Die Belastung des Kugelgewindetriebs wird auf eine Vielzahl von Kugellagern verteilt, so dass jede Kugel einer relativ geringen Belastung ausgesetzt ist. Aufgrund seiner Wälzkörper weist der Kugelgewindetrieb einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten auf, was einem hohen mechanischen Wirkungsgrad entspricht.

Der Hauptunterschied zwischen Kugelumlaufspindeln und Leitspindeln besteht in der Verwendung von Kugelumlauflagern in der Kugelumlaufspindel, um die Reibung zu minimieren und die Effizienz zu maximieren. Kugelumlaufspindeln sind teurer als Leitspindeln, aber aufgrund ihrer Fähigkeit, hohe Lasten zu tragen, hohe Geschwindigkeiten zu erreichen und eine vorhersehbare Lebensdauer zu liefern, sind sie für viele Anwendungen ihren Mehrpreis wert.

Kugelumlaufspindelantriebe bieten typischerweise einen mechanischen Wirkungsgrad von mehr als 90 %, sodass ihre Kosten oft durch einen geringeren Leistungsbedarf ausgeglichen werden. Die erhöhte Belastbarkeit, längere Lebensdauer und vorhersehbare Zuverlässigkeit von Kugelumlaufspindeln sind Vorteile gegenüber Leitspindeln.

Wiederholbarkeit und Genauigkeit

Genauigkeit ist ein Maß dafür, wie nahe sich ein Bewegungssystem einer Sollposition nähert, und ist definiert als der maximale Fehler zwischen der erwarteten und der tatsächlichen Position. Unter Wiederholbarkeit versteht man die Fähigkeit eines Positionierungssystems, während des Betriebs zu einem Standort zurückzukehren. Kugelumlaufspindelantriebe bieten eine hervorragende Wiederholgenauigkeit (das Spiel hängt vom Kugellagerdurchmesser ab, liegt jedoch typischerweise zwischen 0,005 und 0,015 Zoll) und Genauigkeit (±0,004 Zoll/Fuß für Präzisionskugelumlaufspindeln und ±0,0005 Zoll/Fuß für Kugelumlaufspindeln mit der Bezeichnung „Präzision“) -Plus).

Die Steigungsgenauigkeit ist das gebräuchlichste Maß für die Genauigkeit von Kugelumlaufspindeln. Die Steigung gibt an, wie weit eine nicht rotierende Kugelmutter bei einer einzigen 360°-Umdrehung der Spindel zurückgelegt werden kann. Die Steigungsgenauigkeit wird als zulässige Wegabweichung (tatsächliche Position gegenüber theoretischer Position) pro Fuß oder pro 300 mm gemessen. Kugelumlaufspindeln werden in den Klassen „Precision Plus“ und „Transport“ angeboten, wobei die Klasse „Precision Plus“ die Anhäufung von Steigungsfehlern über die gesamte Verfahrlänge genau kontrolliert.

Spiel ist die freie Bewegung zwischen Mutter und Schraube und kann axial und radial gemessen werden. Der beste Weg, das axiale Spiel zu messen, besteht darin, die Schraube gegen Bewegung zu sichern und die Kugelmutter axial zu drücken und zu ziehen, während ihre Bewegung mit einer Messuhr gemessen wird. Das Spiel kann auch gemessen werden, indem man eine Messuhr an der Kugelmutter im System anbringt und sie einen Zoll vor und zurück in die ursprüngliche Position bewegt. Die Abweichung von Null ist das Spiel. Die Wiederholgenauigkeit ist einfach der quantitative Wert des Spiels einer Kugelumlaufspindel.

Eine nicht vorgespannte Kugelmutter hat ein internes Spiel zwischen den Komponenten, was bedeutet, dass Spiel vorhanden ist. Eine vorgespannte Kugelmutter hat kein axiales Spiel und eliminiert daher Spiel und erhöht somit die Steifigkeit. Die Vorspannung erhöht auch das zum Drehen der Schraube erforderliche Drehmoment und wird anhand des Prozentsatzes der Vorspannung zur dynamischen Kapazität gemessen (eine Kugelmutter mit einer dynamischen Kapazität von 1500 lb und einer Vorlast von 10 % hat eine interne Vorspannung von 150 lb). Kugelgewindetriebe mit Präzisionsgewinde werden grundsätzlich ohne Vorspannung eingesetzt. Das Vorspannen einer Kugelumlaufspindel verbessert die Wiederholgenauigkeit durch Eliminierung des Spiels, hat jedoch keinen Einfluss auf die Genauigkeit.

Vorgespannte Kugelmuttern sind für Präzisions-Plus-Schrauben und ausgewählte Präzisions-Schraubenprodukte erhältlich. Ihre Kosten sind aufgrund der Komplexität, der zusätzlichen Bearbeitung, Montage und Überprüfung/Messung höher als bei nicht vorgespannten Muttern. Kugelgewindetriebe können mit Doppel- oder Einzelmutterkonfigurationen vorgespannt werden. Es gibt drei Hauptarten der Vorspannung: Einzelmutter mit übergroßer Kugel (4-Punkt-Kontakt), Einzelmutter-Spannungsleitung (2-Punkt-Kontakt) und Doppelmutter (2-Punkt-Kontakt). Die Einzelmutter-Vorspannung gewährleistet die kleinste Paketgröße bei gleichzeitiger Beibehaltung der vollen Belastbarkeit. Kugelmuttern für Skip-Bleikugeln haben die halbe Kapazität von Einzelmuttern ähnlicher Größe, da nur die Hälfte der Kugellager in jede Richtung belastet wird. Doppelmutter-Vorspannbaugruppen haben die gleiche Tragfähigkeit wie Einzelmuttern, da nur eine Kugelmutter in jede Richtung belastet wird.

Es gibt viele Methoden zur Herstellung von Kugelumlaufspindeln, diese werden jedoch typischerweise in zwei Kategorien eingeteilt: Präzision und Präzision plus. Der Laufring einer Kugelumlaufspindel mit Präzisionsgewinde wird durch einen Kaltwalzprozess geformt. Die Mutter wird so bearbeitet, dass sie der Leistungsfähigkeit der Schraube entspricht. Dieser Ansatz bietet eine mäßige Genauigkeit in der Größenordnung von ±0,004 Zoll/Fuß Steigungsgenauigkeit bei Transportschrauben der Zollserie. Schraube und Mutter von Präzisions-Plus-Gewindekugelgewindetrieben werden durch Präzisionsschleifen hergestellt. Kugelumlaufspindeln mit Precision-Plus-Gewinde bieten eine viel höhere Genauigkeit von ±0,0005 Zoll/Fuß Steigungsgenauigkeit gegenüber Precision-Plus-Zoll-Schrauben. Die Kosten für Kugelgewindetriebe mit Präzisions-Plus-Gewinde sind aufgrund der höheren Bearbeitungszeit höher als für Präzisionsgewindetriebe.

Ballrücklaufsysteme

Üblicherweise werden drei verschiedene Arten von Ballrücklaufsystemen verwendet. Externe Rücklaufrohre, die typischerweise in Zollschrauben verwendet werden, sind kostengünstig und einfach zu installieren, zu warten und zu reparieren. Interne Knopfrückführungssysteme werden typischerweise bei Spindeln mit geringer Steigung verwendet. Sie sind kompakt, haben keine äußeren radialen Vorsprünge, die die Montage erschweren würden, und bieten weniger Lärm und Vibrationen als externe Rückführungen. Interne Knopfrückführungssysteme werden häufig in 4-Punkt-Kontakt-, Einzelmutter- und Vorspannungsbaugruppen verwendet. Interne Endkappenrückführungen werden typischerweise bei Spindeln mit hoher Steigung verwendet. Sie sind kompakt und weisen keine äußeren radialen Vorsprünge auf, die die Montage erschweren würden. Auch ihr Lärm und ihre Vibration sind im Vergleich zu externen Rückläufern gering.

Auswahl der Kugelumlaufspindel

Die Kugelumlaufspindel, die die für eine bestimmte Anwendung erforderliche spezifizierte Tragfähigkeit und Lebensdauer bietet, wird am besten durch einen iterativen Prozess ausgewählt. Die Auslegungslast, die Systemausrichtung, die Verfahrlänge, die erforderliche Lebensdauer und die erforderliche Geschwindigkeit werden zur Bestimmung des Durchmessers und der Steigung der Kugelumlaufspindelbaugruppe verwendet. Die einzelnen Kugelumlaufspindelkomponenten werden dann auf der Grundlage von Genauigkeits- und Wiederholbarkeitsanforderungen, Dimensionsbeschränkungen, Montagekonfiguration, verfügbarem Leistungsbedarf und Umgebungsbedingungen ausgewählt.

Bestimmen Sie zunächst die für die Anwendung erforderliche Positionsgenauigkeit und Wiederholbarkeit. Zoll-Kugelumlaufspindeln werden in zwei Hauptqualitäten hergestellt – Transport und Precision Plus. Kugelumlaufspindeln in Transportqualität werden in Anwendungen eingesetzt, die nur grobe Bewegungen erfordern oder eine lineare Rückmeldung zur Positionsbestimmung verwenden. Kugelumlaufspindeln der Güteklasse Precision Plus werden dort eingesetzt, wo eine genaue und wiederholbare Positionierung von entscheidender Bedeutung ist. Schrauben in Transportqualität ermöglichen eine größere kumulative Variation über die Nutzlänge der Schraube. Präzisionsschrauben der Güteklasse Plus enthalten eine Anhäufung von Steigungsfehlern für eine präzise Positionierung über die gesamte nutzbare Länge der Schraube.

Bestimmen Sie, wie die Kugelumlaufspindel in die Maschine eingebaut wird. Die Konfiguration der Endstützen und der Verfahrweg bestimmen die Last- und Geschwindigkeitsbeschränkungen der Kugelumlaufspindel.

Eine gespannte Kugelumlaufspindel kann Lasten bis zur Nennkapazität der Mutter aufnehmen. Verwenden Sie für eine Kugelmutter unter Druck ein vom Hersteller erhältliches Druck-Belastungs-Diagramm, um einen Kugelumlaufspindeldurchmesser auszuwählen, der der Auslegungslast entspricht oder diese übertrifft. Für die folgende Beispielanwendung sind beispielsweise alle Schrauben geeignet, deren Kurven durch oder oberhalb und rechts vom eingezeichneten Punkt verlaufen. Die in dieser Grafik dargestellten geeigneten Druckbelastungen dürfen die maximale statische Belastbarkeit gemäß der Bewertungstabelle für die einzelne Kugelmutterbaugruppe nicht überschreiten. Bei einer Länge von 85 Zoll (2159 mm), einer Systemlast von 30.000 lb (133.500 N) und einer Endfixierung, bei der ein Ende fest und das andere Ende unterstützt ist, beträgt die Mindestauswahl eine Genauigkeit von 1,750 x 0,200 plus Zoll Kugelumlaufspindel.

Berechnen Sie mithilfe der folgenden Formel die Steigung der Kugelumlaufspindel, die die erforderliche Geschwindigkeit erzeugt.

Steigung (in.) = TravelRate (in. min.-1)/U/min

Bestimmung der Lebenserwartung einer Anwendung

Die Lebensdauer der Baugruppe kann anhand der für jede Kugelmutter angegebenen dynamischen Tragzahl berechnet werden. Für das Beispiel eignen sich alle Kugelmuttern, deren Kurven durch oder über dem eingezeichneten Punkt verlaufen. Die in dieser Grafik dargestellte geeignete Lebenserwartung darf die maximale statische Belastbarkeit gemäß der Bewertungstabelle für die einzelne Kugelmutterbaugruppe nicht überschreiten. In diesem Beispiel beträgt die gewünschte Anwendungslebensdauer (Gesamtweg) 2 Millionen Zoll (50,8 Millionen mm). Dann beträgt die maximale normale Betriebslast 10.000 lb (44.500 N).

Bestimmung der kritischen Drehzahl der Schnecke

Die kritische Schneckengeschwindigkeit ist der Zustand, bei dem die Drehzahl der Baugruppe harmonische Schwingungen erzeugt. Die kritische Geschwindigkeit hängt vom Kerndurchmesser der Schraube, der nicht unterstützten Länge und der Endunterstützungskonfiguration ab. In den meisten Herstellertabellen sind für das folgende Beispiel alle Schrauben geeignet, deren Kurven durch den eingezeichneten Punkt oder darüber und rechts davon verlaufen. Die vier Endbefestigungszeichnungen zeigen die Lagerkonfigurationen zur Unterstützung einer rotierenden Welle, und das Diagramm zeigt die Auswirkung dieser Bedingungen auf die kritische Wellengeschwindigkeit für die nicht unterstützte Schraubenlänge. Die in diesem Diagramm angezeigten akzeptablen Geschwindigkeiten gelten für die ausgewählte Spindelwelle und geben keinen Hinweis auf die erreichbaren Geschwindigkeiten aller zugehörigen Kugelmutterbaugruppen.

Wenn die Belastungs-, Lebensdauer- und Geschwindigkeitsberechnungen bestätigen, dass die ausgewählte Kugelumlaufspindel die Konstruktionsanforderungen erfüllt oder übertrifft, fahren Sie mit dem nächsten Schritt fort. Wenn nicht, erhöhen Schrauben mit größerem Durchmesser die Tragfähigkeit und erhöhen die Drehzahl. Kleinere Leitungen verringern die Lineargeschwindigkeit (unter der Annahme einer konstanten Eingangsmotorgeschwindigkeit), erhöhen die Motorgeschwindigkeit (unter der Annahme einer konstanten Lineargeschwindigkeit) und verringern das erforderliche Eingangsdrehmoment. Höhere Steigungen erhöhen die Lineargeschwindigkeit (unter der Annahme einer konstanten Eingangsmotorgeschwindigkeit), verringern die Eingangsmotorgeschwindigkeit (unter der Annahme einer konstanten Lineargeschwindigkeit) und erhöhen das erforderliche Eingangsdrehmoment.

Bestimmen Sie, wie sich die Kugelmutter in die Anwendung integrieren lässt. Ein Kugelmutterflansch ist die typische Methode zur Befestigung der Kugelmutter an der Last. Kugelmuttern mit Gewinde und zylindrische Kugelmuttern sind alternative Möglichkeiten, die Schnittstelle bereitzustellen.

Vorgespannte Kugelmuttern eliminieren das Spiel des Systems und erhöhen die Steifigkeit. Abstreifersätze schützen die Baugruppe vor Verunreinigungen und enthalten Schmiermittel. Für die meisten Kugelgewindetriebe sind auch Lagerunterstützungen und Endenbearbeitungen verfügbar.

Kugelgewindetriebe müssen vor der ordnungsgemäßen Installation sorgfältig gehandhabt werden. Stöße, die auf die Kugellager einwirken, können die Lagerlaufbahnen durch Bildung von Brinellbildung oder Rissbildung beschädigen. Hohe Belastungen oder Durchbiegung der Schraube können zu einer Biegung führen. Es ist wichtig, die Baugruppe verpackt und geschmiert zu halten und an einem sauberen, trockenen Ort aufzubewahren, da Schmutz und Verunreinigungen die Umlaufbahnen verstopfen können und hohe Luftfeuchtigkeit oder Regen Korrosion verursachen können.

Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Systemmontage. Die Kugelmutter sollte nur axial belastet werden, da jede radiale Belastung die Leistung der Baugruppe erheblich beeinträchtigt. Um eine optimale Leistung und Lebensdauer zu erreichen, sollte die Baugruppe außerdem richtig auf das Antriebssystem, die Lagerstützen und die Last ausgerichtet sein.

Schmierung der Kugelumlaufspindel

Die Kugelumlaufspindel sollte niemals ohne ordnungsgemäße Schmierung betrieben werden. Schmierstoffe erhalten den Vorteil der geringen Reibung von Kugelgewindetrieben aufrecht, indem sie den Rollwiderstand zwischen Kugeln und Rillen sowie die Gleitreibung zwischen benachbarten Kugeln minimieren.

Öl kann mit einer kontrollierten Durchflussrate direkt an die benötigte Stelle aufgetragen werden und entfernt Verunreinigungen, während es durch die Kugelmutter läuft. Es kann auch für Kühlung sorgen. Andererseits ist ein Pumpen- und Dosiersystem erforderlich, um Öl ordnungsgemäß aufzutragen, da Öl auch das Potenzial hat, Prozessflüssigkeiten zu verunreinigen.

Fett ist kostengünstiger und erfordert weniger häufige Anwendung als Öl und verunreinigt die Prozessflüssigkeiten nicht. Andererseits kann Fett nur schwer in der Kugelmutter gehalten werden und neigt dazu, sich an den Enden des Kugelmutterhubs anzusammeln, wo es Späne und Schleifpartikel ansammelt. Die Unverträglichkeit von Altfett mit Nachschmierfett kann ein Problem darstellen, daher ist es wichtig, die Kompatibilität zu prüfen. Ein lasttragendes Fett kann dazu beitragen, die Lebensdauer einer Baugruppe zu verlängern, die Gesamttragfähigkeit ändert sich jedoch nicht.