Einbaufertig und hochbelastbar
Die Firma Bornemann-Gewindetechnik produziert seit mehr als 25 Jahren Gewindespindeln und -muttern für fast alle Industriezweige. Schwerpunkt der Fertigung ist die Herstellung von einbaufertigen Trapezgewindetrieben, bestehend aus Spindeln und Muttersätzen für Schwerlasthebeanlagen, wie sie im Bereich von Hebeanlagen für Schienenfahrzeuge, im Theater- beziehungsweise Bühnenbau und im Sondermaschinenbau verwendet werden.
Für Spindelhubtriebe, die unter hoher Last eine Flächenpressung von mehr als 20 Newton pro Quadratmillimeter erreichen und mit sehr geringen Umfangsgeschwindigkeiten arbeiten, ist eine konstante Schmierung der Tragflanken der Gewindeprofile unbedingt erforderlich. Denn eine mangelhafte Schmierung führt zu erhöhtem Verschleiß, überhöhter Wärmeentwicklung und auch zu dem unerwünschten Stick-Slip-Effekt.
Stick-Slip-Effekt
Der Stick-Slip-Effekt (aus dem Englischen: stick haften und slip gleiten), der auch als Haftgleiteffekt bezeichnet wird, beschreibt das Ruckgleiten von gegeneinander bewegten Festkörpern. Der Effekt tritt immer dann auf, wenn die Haftreibung größer ist als die Gleitreibung. Dies führt je nach tribologischem System zur Anregung von Schwingungen, die von einer resonanzfähigen Oberfläche als Geräusch abgestrahlt werden. Der Effekt verschwindet meist, sobald die Reibpartner durch einen Zwischenbeziehungsweise Schmierstoff voneinander getrennt werden. Der Stick- Slip-Effekt ist in technischen Anwendungen in der Regel unerwünscht. Negative Einflüsse durch den Effekt können unter anderem bei Lagern, Führungen in der Lineartechnik oder bei Gewindespindeln in der Hebetechnik beobachtet werden. Geräusche wie das Knarren einer Tür, das Quietschen von Eisenbahnen bei Kurvenfahrt sowie ratternde Scheibenwischer auf Autoscheiben sind allgemein bekannte Folgen dieses Effekts.
Ralph Wuertele, Manager Application Engineering bei Klüber Lubrication: »Gerade in Anlagen der Schwerlasthebetechnik können ungeeignete Schmierstoffe leicht zu Mangelschmierungszuständen führen, die einen erhöhten Verschleiß verursachen und somit zum vorzeitigen Ausfall der Anlage führen.« Oft liegt der Grund für Ausfälle auch an der konstruktiven Ausführung der Spindeln selbst. Fehlende Schmiertaschen an der Tragflanke des Gewindeprofils verhindern, dass das aufgebrachte Schmiermittel verbleibt, wenn die Mutternprofile mit hoher Flächenbelastung über die Spindel gleiten. Entweder wird das Schmiermittel von der Flanke gepresst, oder es wird vor der Mutter hergeschoben. In beiden Fällen kommt es zu einem Schmierfilmabriss, der anfangs Temperaturerhöhung und Stick-Slip-Effekt mit zum Teil ohrenbetäubenden Geräuschen hervorruft, und später zur Zerstörung des Gewindetriebs führen kann.
Drehen, Rollen oder Wirbeln?
Gewindetriebe können in unterschiedlichen Herstellungsverfahren gefertigt werden. Das Gewindedrehen sowie das Gewindefräsen sind Verfahren, die aus wirtschaftlichen Gründen für genannte Gewindetriebe kaum noch angewendet werden.Beim Gewinderollen oder -walzen werden Gewindespindeln durch eine spanlose Kaltverformung hergestellt. Dieses Herstellungsverfahren ist durchaus wirtschaftlich, bedingt durch die sehr hohen Werkzeug- und Einrichtekosten aber meist nur in Großserien anwendbar. Darüber hinaus begünstigen gerollte Gewindespindeln durch die absolut blanke Gewindeflankenoberfläche einen Schmierfilmabriss. Das gerollt hergestellte Trapezgewinde hat durch den Verformungsprozess im Prägepolieren oder Presspolieren eine zu hohe Flankenoberflächengüte, in der auch Schmiertaschen fehlen. Dadurch kann es zum oben erwähnten Stick-Slip-Effekt beziehungsweise zum Schmierfilmabriss zwischen Spindel und Mutter kommen.
Das oft genannte Argument der längeren Lebensdauer von gerollten Gewindespindeln kann auch nicht bestätigt werden. Diesen Nachweise erbrachte die Firma Wirths-Werres in einem Dauerbeanspruchungstest. »Die gewirbelten Gewindespindeln zeigten auch nach vielen Betriebsstunden nur minimale Verschleißspuren«, erklärte Christian Zahn, Konstruktionstechniker bei Wirths-Werres. Auch die durch das Rollverfahren entstandenen Spannungen im Material führen laut Christian Zahn oft zu kostenintensiver Nacharbeit. Beim Wirbelverfahren besteht das Wirbelwerkzeug für die Fertigung von Spindelgewinden aus einem angetriebenen Wirbelring mit einem Satz Profilwerkzeugen. Es arbeitet im sogenannten Hüllschnitt, da das Werkstück während der Bearbeitung innerhalb dieses Werkzeugringes rotiert.
Der Hüllschnitt beginnt am Außendurchmesser mit Spandicke und Spantiefe 0 und steigt kontinuierlich auf berechnete Spandicke und Spantiefe beziehungsweise Gewindetiefe, um dann wieder mit 0 aus dem Werkstück auszutreten. Dadurch wird ein sehr weicher Schnitt mit einer sehr glatten Oberfläche erzeugt. Da ein Werkzeugsatz aus mehreren Einzelschneiden besteht, die nacheinander im unterbrochenen Schnitt arbeiten, entstehen zwischen den Schnitten mikroskopisch kleine Unterbrechungen in der Werkstückoberfläche, die polygonartige, konkave Facetten im E-Bereich, die Schmiertaschen, erzeugen.
Diese Schmiertaschen sorgen für die guten Schmierfilmeigenschaften von gewirbelten Gewindespindeln, denn in den Tälern der Polygone wird das Schmiermittel von den hohen Flächenlasten der Tragflanken der Gewindeprofile nicht berührt und nicht verdrängt. Als Ergebnis des Vergleichs der Herstellungsverfahren ist festzustellen, dass zwar das Rollen und Schleifen von Gewindeprofilen moderne und für viele Einsatzfälle empfehlenswerte Herstellungsverfahren sind, dass man aber für den Einsatz von Trapezgewindetrieben für Hubspindelanlagen das bei Bornemann Gewindetechnik eingesetzte Verfahren Wirbeln bevorzugen sollte.
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