Vorbeugung gegen den Ausfall von Kugelgewindetrieben: Must-Dos der Wartung

Kugelgewindetriebe spielen eine entscheidende Rolle im Vorschubsystem von Werkzeugmaschinen. Da sich die Fertigungsindustrie weiterentwickelt, verlangt der Markt eine immer strengere Produktqualität, was zu höheren Präzisionsanforderungen der Unternehmen an Werkzeugmaschinen führt.

Infolgedessen sind die Zuverlässigkeit und die Leistung von Kugelgewindetrieben zu wesentlichen Standards geworden. Im Vorschubsystem kann der Verschleiß der Kugelumlaufspindel zu einer Verringerung der Vorspannung führen, was ein häufiges Problem darstellt.

Eine korrekte Vorspannung kann axiale Stöße und übermäßige Hitze verhindern und so die Genauigkeit und Lebensdauer des Kugelgewindetriebs verbessern. In diesem Artikel werden die Probleme im Zusammenhang mit Kugelgewindetrieben kurz analysiert und praktikable Strategien zur vorausschauenden Wartung erörtert, um den Verschleiß zu mindern.

Ein Kugelgewindetrieb ist ein Linearantrieb, der eine Drehbewegung in eine lineare Bewegung umwandelt und häufig in Vorschubsystemen von Werkzeugmaschinen eingesetzt wird. Sein Hauptvorteil ist die präzise Positionierung bei hohen Geschwindigkeiten und einem hohen mechanischen Wirkungsgrad.

Aufgrund der geringen Reibung kann der Übertragungswirkungsgrad bis zu 90% erreichen, was auch die Lebensdauer des Kugelgewindetriebs verlängert und die Ausfallzeiten bei der Wartung reduziert. Die Reibung und die linearen Stöße zwischen der Kugelumlaufspindel und der Mutter machen ein präzises Vorschubsystem zu einer Herausforderung.

Normalerweise wird die richtige Vorspannung angewendet, um lineare Stöße zu eliminieren und die Steifigkeit des Kugelgewindetriebs zu erhöhen. Eine übermäßige Vorspannung kann jedoch die Reibung erhöhen. Die Vorspannung spielt auch eine wichtige Rolle für die Steifigkeit des Kugelgewindetriebs, die Geräuschentwicklung und die Positioniergenauigkeit.

Wenn eine Maschine startet oder stoppt, kann die Beschleunigung oder Abbremsung des Kugelgewindetriebs zu einem Verlust von Schmieröl an den Kontaktflächen führen. Dieser Verlust kann die Wärmeableitung verschlechtern und den Verschleiß des Kugelgewindetriebs beschleunigen. Mit zunehmendem Verschleiß nimmt die Vorspannung ab, was ein Hauptproblem für Kugelgewindetriebe darstellt.

Beim reibungsverursachten Verschleiß von Kugelgewindetrieben wird der Oberflächenverschleiß analysiert. Die Rauheit der Kugeloberfläche ist glatter als die der Laufbahn, so dass ihre relative Bewegung mit der Wechselwirkung zwischen einer glatten und einer rauen Oberfläche verglichen werden kann.

Wenn eine härtere und raue Oberfläche wiederholt in derselben Richtung über eine weichere Oberfläche pflügt, kommt es bei jedem Zyklus zu einer unidirektionalen plastischen Verformung. Dieser Prozess des "Ratschenversagens" oder "progressiven Zusammenbruchs" lässt vermuten, dass der Verschleiß durch einen duktilen Bruchmechanismus erfolgt, der sehr feine, plattenähnliche Trümmer erzeugt, wie in Abbildung 1 dargestellt.

Dynamische Tests von Kugelgewindetrieben zeigen, dass das Drehmoment zunächst auf einen hohen Wert ansteigt, bevor es zu sinken beginnt. Dies liegt daran, dass der Schmierfilm, der die Kontaktflächen schützt, Zeit braucht, um sich zu bilden, wodurch sich die Reibung zwischen Kugel und Laufbahn erhöht und ein höheres Drehmoment für den Antrieb der Welle des Kugelgewindetriebs erforderlich ist. Wie aus Tabelle 1 hervorgeht, nimmt das Drehmoment mit der Geschwindigkeit zu, da höhere Geschwindigkeiten eine längere Beschleunigungszeit erfordern.

Tabelle 1 Beschleunigung in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit

Beim Abbremsen unterscheidet sich das Verhalten von der Beschleunigung, erfordert aber auch ein höheres Drehmoment zum Abbremsen. Wenn sich die Geschwindigkeit stabilisiert, steigt das Drehmoment allmählich mit der Geschwindigkeit. Der Unterschied im Drehmoment bezieht sich auf ähnliche stabile Geschwindigkeiten bei sofortigen Schritten, was zeigt, dass die Schmierungszustände während der Beschleunigung, der Verzögerung und der konstanten Geschwindigkeit unterschiedlich sind.

Dadurch sind die Kontaktflächen erheblichen Belastungen und niedrigen Relativgeschwindigkeiten ausgesetzt, was zu kritischen Schmierproblemen beim Beschleunigen und Abbremsen führt.

Bei der vorausschauenden Wartung werden Sensoren zur Überwachung des Betriebszustands von Anlagen eingesetzt und die Sensordaten mit Lebenszyklusparametern kombiniert, um den Wartungszeitpunkt zu bestimmen. Dadurch werden die Wartungsintervalle maximiert und die Kosten für Ausfallzeiten reduziert.

Vorausschauende Wartung kann unerwartete mechanische Ausfälle reduzieren und verhindern, dass sich Probleme verschlimmern. Die frühzeitige Erkennung und Reparatur mechanischer Probleme kann die meisten Probleme abmildern und so die Produktqualität und die Effizienz von Anlagen und Produktionslinien verbessern.

Detektionsmethoden können direkt oder indirekt sein. Bei den direkten Methoden werden die Betriebsgenauigkeit und der Positionsstatus des Bauteils direkt gemessen. Bei indirekten Methoden werden Signale und Informationen in Bezug auf die Komponente gesammelt, um auf ihren Status zu schließen.

Dieser Artikel konzentriert sich auf direkte Methoden, bei denen die Auswahl des Erkennungssignals entscheidend ist. Zu den Erkennungssignalen gehören akustische Emissionssignale, Lasererkennung, Erkennung elektrischer Signale, Erkennung von Vibrationssignalen und interne Werkzeugmaschinensignale.

Für die Wartung von Kugelumlaufspindeln, die auf dem Strom des Elektromotors basieren, werden in der Regel Methoden der Zeitbereichsanalyse verwendet. Die Wavelet-Theorie ist eine neue Methode zur Analyse im Zeitbereich.

Elektrische Signale enthalten viele Fehlermeldungen und eine erhebliche Menge an Rauschen. Wavelet-Signale können Signale über verschiedene Zeiten und Frequenzbänder hinweg effektiv trennen, Rauschsignale eliminieren und ein klareres Signalbild rekonstruieren.

Zur Erfassung der Stromsignale werden Hall-Stromsensoren verwendet, die auf dem Prinzip des magnetischen Gleichgewichts nach Hall und dem Prinzip des geschlossenen Regelkreises basieren (siehe Abbildung 2).

Der Strom am Eingang erzeugt ein Magnetfeld, das durch einen hochwertigen Magnetkern fließt und eine magnetische Flussschleife bildet. Das Hall-Element ist in einem kleinen Luftspalt befestigt. Eine um den Magnetkern gewickelte Spule gibt einen Ausgleichsstrom in der entgegengesetzten Richtung ab.

Dieser Kompensationsstrom gleicht den durch den Eingangsstrom erzeugten magnetischen Fluss aus und hält den magnetischen Fluss in der Schleife auf Null. Nach einer speziellen Schaltungsbearbeitung spiegelt das Ausgangspotenzial des Hall-Elements genau die Änderungen des Stroms wider.

So können Hall-Stromsensoren Änderungen im Strom des Antriebsmotors der Kugelumlaufspindel überwachen. Durch die Verarbeitung der gesammelten Daten kann der Betriebszustand des Kugelgewindetriebs genau bestimmt werden.