Was ist die Kugelumlaufspindel

Die Kugelumlaufspindel ist ein mechanisches Getriebeteil, das Drehbewegungen in hochpräzise Linearbewegungen umwandelt (und umgekehrt Linearbewegungen in Drehbewegungen). Ihr Kerndesign ersetzt die Gleitreibung herkömmlicher Leitspindeln durch die Rollreibung von Stahlkugeln, wodurch der Widerstand stark reduziert und die Übertragungsgenauigkeit und -effizienz verbessert werden.

I. Kernstruktur der Kugelumlaufspindel

Die Kugelumlaufspindel ist modular aufgebaut und besteht aus vier Grundkomponenten. Die Gesamtstruktur ist kompakt und ihre Präzision ist kontrollierbar:

• Spindelwelle: Ihre Oberfläche ist mit hochpräzisen spiralförmigen Laufbahnen (Bogenrillen, die zu Stahlkugeln passen) bearbeitet, dem Kernstück für die Übertragung der Drehbewegung. Die Präzision der Laufbahn bestimmt direkt die Gesamtübertragungsgenauigkeit.
• Mutter: Passend zur Spindelwelle ist sie ebenfalls innen mit spiralförmigen Laufbahnen bearbeitet, die zusammen mit den Schraubenlaufbahnen einen geschlossenen Rollweg für Stahlkugeln bilden. In die Mutter ist eine Kugelumlaufstruktur integriert.
• Stahlkugeln: Hochpräzise Lagerstahlkugeln (G10-Präzision und höher) mit minimaler Toleranz des Kugeldurchmessers. Die Anzahl wird an die Schraubenbelastung angepasst.
• Zirkulationsbaugruppe: Unterteilt in interne und externe Zirkulationstypen, führt sie die Stahlkugeln nach ihrer Bewegung in den Laufbahnen zurück in die Ausgangsposition, wodurch der zyklische Rollvorgang ununterbrochen bleibt und die Ansammlung von Kugeln vermieden wird – ein zentraler Konstruktionspunkt von Kugelumlaufspindeln.
• Interne Zirkulation: Realisiert durch Rückführführungen (Kugelumlenkungen) an der Mutter, die sich durch eine kompakte Struktur und geringe Radialgröße auszeichnen und für hochpräzise Anwendungen mit begrenztem Platzangebot geeignet sind.
• Externe Zirkulation: Die beiden Enden der Laufbahn sind durch ein Rückführrohr verbunden, wobei sich der Zirkulationsweg außerhalb der Mutter befindet. Sie hat große Kugelkapazität und hohe Tragfähigkeit und eignet sich für Anwendungen mit hoher Belastung und hoher Geschwindigkeit.

II. Grundlegendes Funktionsprinzip

Wenn sich die Schraubenwelle dreht, drücken die Schraubenlaufbahnen die Stahlkugeln, sodass sie entlang der Mutternlaufbahnen rollen.

Am Ende der Laufbahn kehren die Stahlkugeln über die Zirkulationsbaugruppe zum Anfang der Laufbahn zurück und bilden so eine kontinuierliche Zirkulation.

Das Rollen der Stahlkugeln treibt die Mutter zur präzisen linearen Bewegung an und wandelt die Drehbewegung in lineare Bewegung um (der umgekehrte Vorgang treibt die Schraubenwelle über die lineare Bewegung der Mutter zur Drehung an).

Während des gesamten Prozesses stehen die Stahlkugeln in Punkt-/Linienkontakt mit den Laufbahnen, wobei der Reibungswiderstand nur 1/10 bis 1/3 desjenigen herkömmlicher Leitspindeln beträgt.

III. Kernmerkmale (deutliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Leitspindeln)

Als Präzisionsantriebselement erfüllen seine Eigenschaften vollständig die Anforderungen der Industrieausrüstung an hohe Präzision, hohe Effizienz und hohe Steifigkeit, was der Hauptgrund für den Ersatz von Gewindespindeln ist:

• Extrem hohe Übertragungseffizienz: Rollreibung ersetzt Gleitreibung mit Übertragungseffizienz von 90 % bis 98 %, was weit über den 30 % bis 50 % von Leitspindeln liegt. Dies spart erheblich an Leistungsverlusten und eignet sich für Präzisionsantrieb wie Servomotoren.
• Überlegene Positioniergenauigkeit: Die Laufbahnen sind hochpräzise geschliffen (Präzisionsgrade bis zu C0, C1, C3 usw.) und weisen kein Gleitspiel auf. Durch Vorspannung kann eine spielfreie Übertragung erreicht werden, wobei die Positioniergenauigkeit im Mikrometerbereich liegt und eine höhere Wiederholgenauigkeit der Positionierung erzielt wird, was den Anforderungen an die präzise Positionierung von Werkzeugmaschinen und Automatisierungsanlagen entspricht.
• Reibungslose Bewegung ohne Kriechen: Kein „Kriechen“ (ungleichmäßige Geschwindigkeit) der Gewindespindeln bei niedrigen Geschwindigkeiten.
• Hohe Steifigkeit mit Vorspannungsfähigkeit: Das Spiel zwischen Spindel und Mutter kann durch doppelte Muttervorspannung (z. B. Unterlegscheiben, Zahnunterschied, Versatzmutter) beseitigt werden, während gleichzeitig die Gesamtsteifigkeit der Konstruktion verbessert wird. Es kann einer bestimmten axialen Belastung standhalten und Verformungen unter Krafteinwirkung reduzieren, um die Stabilität der Verarbeitung/Übertragung zu gewährleisten.
• Lange Lebensdauer und einfache Wartung: Minimaler Verschleiß durch Rollreibung, mit dynamischer Nennbelastung, die viel höher ist als die von Gewindespindeln. Die Lebensdauer kann bei normaler Schmierung mehrere zehntausend Stunden erreichen; die tägliche Wartung erfordert lediglich regelmäßige Nachfüllung von Schmierfett, was sich die Wartungskosten verringert.
• Umkehrbare Übertragung: Sie kann lineare Bewegungen frei in Drehbewegungen umwandeln (keine Selbsthemmung). Wenn für die Anlage eine Absturzsicherung/Rücklaufsicherung erforderlich ist, müssen zusätzliche Bremsvorrichtungen (z. B. elektromagnetische Bremsen, Einweglager) eingebaut werden.

IV. Typische Anwendungsszenarien

Aufgrund seiner hohen Präzision und Effizienz wird es häufig in Industrieanlagen eingesetzt, die präzise lineare Übertragung erfordern:

• Werkzeugmaschinen: Vorschubachsen und Spindelbewegungen von CNC-Drehmaschinen, Fräsmaschinen, Bearbeitungszentren und Schleifmaschinen;
• Automatisierungsanlagen: Industrieroboter (Linearmodule), automatisierte Produktionslinien, Präzisionsfördermechanismen;
• Präzisionsmaschinen: Halbleiter-Lithografiemaschinen, Wafer-Bearbeitungsanlagen, Präzisionsmessgeräte;
• Technik/Bauausrüstung: Hebebühnen, Präzisionsdruckmaschinen, Spritzgießmaschinen, 3D-Drucker.

V. Kombinationsbeziehung mit Kugelumlaufspindel-Stützlagern

Die Kugelumlaufspindel-Stützlager sind hochpräzise Schrägkugellager, die speziell für Kugelumlaufspindeln entwickelt werden. Die beiden bilden eine untrennbare, präzise aufeinander abgestimmte Kombination, wobei die wichtigsten Übereinstimmungspunkte wie folgt sind:

Die beiden Enden der Kugelumlaufspindel müssen durch Stützlager für die Drehung abgestützt und axial positioniert werden. Die Lagerpräzision bestimmt direkt die Drehgenauigkeit der Spindel, was sich wiederum auf die lineare Übertragungsgenauigkeit auswirkt.

Kugelumlaufspindeln sind hauptsächlich Axialkraft mit geringer Radialkraft ausgesetzt. Daher sind die passenden Stützlager Schrägkugellager mit hoher Axialbelastbarkeit und hoher Steifigkeit (Kontaktwinkel 25°/40°), die paarweise (DB/DF/DT) verwendet werden müssen, um eine bidirektionale Axialpositionierung zu erreichen.

Die Präzisionsklassen der beiden müssen übereinstimmen: Beispielsweise muss eine Kugelumlaufspindel der Klasse C3 mit hochpräzisen Kugelumlaufspindel-Stützlagern der Klasse P4/P2 kombiniert werden, da sonst die Gesamtübertragungsgenauigkeit aufgrund unzureichender Lagerpräzision beeinträchtigt wird.