Schneckengetriebe für CNC-Werkzeugmaschinen – Leitfaden zur Präzisionsauswahl

Was ein defektes Schneckengetriebe an der Spindel tatsächlich kostet

Betrachten wir ein vertikales Bearbeitungszentrum, das Konturbearbeitungen auf einer rotierenden vierten Achse durchführt. Der Teilkreisdurchmesser des Schneckenrads beträgt 120 mm. Das Zahnrad hat nach zwei Jahren Indexierbetrieb ein Zahnflankenspiel von 0,10 mm. Wenn die Achse während der Konturbearbeitung die Drehrichtung ändert, bewegt sich der Tisch zunächst nicht um die Strecke, die diesem Zahnflankenspiel entspricht, sondern schnellt dann vorwärts, um die Bewegung auszugleichen. Winkelmäßig ausgedrückt entsprechen 0,10 mm bei einem Teilkreisradius von 60 mm 0,0017 Radiant oder etwa 5,7 Bogenminuten Totzone. Die Folge am Werkstück ist eine sichtbare Haltemarke bei jedem Richtungswechsel. Eine Servokompensation kann diese nicht beseitigen, da der Encoder die Bewegung erst erfasst, wenn das Zahnrad wieder in Eingriff ist.

Das ist kein Abstimmungsproblem. Es ist ein Problem mit den Getriebespezifikationen – und das lässt sich vollständig vermeiden, wenn man vor der Bestellung drei Zahlen versteht: DIN-Klasse, Bleifehler, Und Gegenreaktion im SpielkreisKorea Ever-Power produziert Präzisions-Schneckengetriebe für CNC-Anwendungen, bei denen diese drei Zahlen bestätigt und dokumentiert sind – und nicht geschätzt werden.

Wo Schneckengetriebe in CNC-Maschinen zum Einsatz kommen

Die 90-Grad-Wellenanordnung und die inhärente Selbsthemmung bei Übersetzungen über etwa 15:1 machen Schneckengetriebe zu einer praktischen Wahl für alle CNC-Funktionen, die ihre Position bei abgeschaltetem Motor halten müssen. Sie finden in der Werkzeugmaschinenwelt breite Anwendung in Bereichen, die mit parallelachsigen Schrägverzahnungen ohne separate Haltebremse nicht abgedeckt werden können:

In Drehtische der vierten und fünften AchseDas Schneckengetriebe bildet die letzte Untersetzungsstufe zwischen Servomotor und Abtriebswelle der A- oder B-Achse. Die Winkelauflösung der CNC-Steuerung hängt direkt von der Zähnezahl des Schneckenrads und der Encoderauflösung ab – die tatsächliche Winkelgenauigkeit am Werkstück hingegen von der Steigungsabweichung und der Profiltoleranz des Schneckenrads selbst. Ein CNC-Steuerungssystem mit einer Genauigkeit von 0,001 Grad ist nutzlos, wenn der mechanische Antrieb aufgrund einer verschlissenen oder fehlerhaft gefertigten Schnecke einen periodischen Fehler von 0,1 Grad aufweist.

Teilköpfe und Teilköpfe Bei Wälzfräs-, Schleif- und Fräsmaschinen werden Schneckengetriebe in der letzten Teilungsstufe eingesetzt, da deren Teilungsfehler die geometrische Genauigkeit jedes Werkstücks bestimmt. Ein Zahnteilungsfehler, der im Teilkopf-Schneckenrad entsteht, wirkt sich direkt auf jedes bearbeitete Zahnrad aus. In diesem Zusammenhang ist das Schneckenrad kein Antriebselement, sondern ein geometrisches Bezugselement und muss daher bei der Beschaffung entsprechend behandelt werden.

Drehachsen der Koordinatenmessmaschine Wafer-Handling-Tische für die Halbleiterindustrie stellen die höchste Präzisionsanforderung dar. In diesen Anwendungen wird von dem Schneckengetriebe erwartet, dass es eine Messspitze oder einen Wafer-Tisch auf Mikrometer genau an die Sollposition anpasst, ohne Totzone bei Richtungsumkehr. Duplex-Schneckengetriebe Für diese Anwendungen eignen sich Sätze, bei denen das Spiel auf nahezu Null eingestellt und über die gesamte Lebensdauer des Antriebs beibehalten werden kann.

Spezifikationsbereich – CNC-Präzisions-Schneckengetriebe

Was die DIN-Klasse an Ihrer CNC-Achse tatsächlich bedeutet

Die DIN-Präzisionsklasse für Schneckengetriebe regelt drei unabhängige geometrische Toleranzen: Einzeltonhöhenfehler (die Variation des Winkelabstands zwischen benachbarten Zähnen), Gesamtneigungsfehler (die Abweichung eines beliebigen Zahnes von seiner theoretisch perfekten Position entlang des gesamten Umfangs), und Abweichung des Zahnprofils (wie stark die tatsächliche Zahnflankenform von der theoretischen Evolvente abweicht). Jede dieser Abweichungen beeinflusst die Qualität des bearbeiteten Werkstücks auf unterschiedliche Weise und muss einzeln betrachtet werden – nicht pauschal nach dem Motto „DIN 7 ist gut genug“.

Ein Teilungsfehler führt zu einer Schwankung der Winkelgeschwindigkeit der Abtriebswelle einmal pro Zahneingriff. Die Frequenz entspricht dem Produkt aus Zähnezahl des Schneckenrades und dessen Drehzahl. Bei einer Konturbearbeitung um die vierte Achse zeigt sich dies als feines, periodisches Oberflächenmuster – manchmal nur bei Streiflicht im entsprechenden Winkel sichtbar. Bei einem 60-Zahn-Schneckenrad mit 0,5 U/min wiederholt sich dieses Muster 30 Mal pro Minute auf der Werkstückoberfläche. DIN 7 bei M3 begrenzt den Teilungsfehler auf ca. 18 Mikrometer, DIN 6 auf 11 Mikrometer. Der Unterschied ist mittels Oberflächenprofilometrie messbar.

Der Gesamtteilungsfehler bestimmt, wie genau die Achse nach einer vollen Umdrehung in die vorgegebene Winkelposition zurückkehrt. Bei einem Teilkopf, der 36 gleichmäßig verteilte Zahnradzähne schneidet, führt der Gesamtteilungsfehler des Teilschneckenrads direkt zu ungleichmäßigen Zahnteilungen bei jedem auf dieser Maschine gefertigten Zahnrad. Daher fordern Wälzfräs- und Verzahnungsmaschinen mindestens DIN-6-Schneckengetriebe – das zu bearbeitende Zahnrad übernimmt den Gesamtteilungsfehler des Teilantriebs der Maschine, multipliziert mit der mechanischen Übersetzung des Zahnrads.

Profilabweichungen beeinträchtigen die Laufruhe der Kraftübertragung. Ein Schneckenzahn mit übermäßiger Profilabweichung erzeugt bei jedem Zahneingriff ein variables Übersetzungsverhältnis – das Rad beschleunigt und verzögert leicht, während der Kontaktpunkt die Zahnflanke passiert. Diese Geschwindigkeitswelligkeit regt Schwingungen mit der Eingriffsfrequenz an, weshalb manche Drehtischantriebe selbst mit neuen Zahnradsätzen bei bestimmten Drehzahlen ein hörbares Geräusch erzeugen.

Fertigung in unserem Werk

Das Gewindeschleifen erfolgt nach dem Aufkohlen aller Schneckenwellen nach DIN 6 und DIN 7. Durch das Aufkohlen wird die Gewindegeometrie verformt – Schnecken, die vor und nach der Wärmebehandlung vermessen werden, weisen Steigungsfehler auf, die 3- bis 5-mal größer sind als der Wert vor der Behandlung. Durch das Schleifen wird diese Verformung korrigiert. Schnecken, die zwar wärmebehandelt, aber nicht anschließend geschliffen werden, weisen die volle Verformung durch die Wärmebehandlung auf. Daher halten viele Katalogangaben nach DIN 7 von Billiganbietern der Überprüfung mittels Koordinatenmessmaschine (KMM) bei der Wareneingangskontrolle nicht stand.

Duplex-Schneckengetriebe – Das Problem des Zahnflankenspiels dauerhaft gelöst

Ein Standard-Schneckenradsatz hat eine feste Zahnflankenstärke an beiden Flanken des Schneckengewindes. Das Zahnflankenspiel wird bei der Montage durch den Achsabstand zwischen Schnecken- und Schneckenradwelle eingestellt. Mit zunehmendem Verschleiß der Bronzezahnräder vergrößert sich der Zahnspalt und das Zahnflankenspiel steigt – die einzige Möglichkeit zur Behebung besteht im Austausch des Zahnradsatzes. Bei einem Drehtisch eines Bearbeitungszentrums bedeutet der Austausch des Zahnradsatzes, die Maschine außer Betrieb zu nehmen, den Drehtisch zu demontieren, einen Ersatzsatz mit Bohrungsgenauigkeit H7 zu beschaffen, ihn wieder zusammenzubauen und die Achsengenauigkeit erneut zu überprüfen. Dieser Vorgang dauert in der Regel zwei bis vier Tage und verursacht höhere Produktionsausfallkosten als der Zahnradsatz selbst.

A Duplexwurm Die auch als Doppelgewindeschnecke bezeichnete Schnecke wird mit leicht unterschiedlichen Steigungswerten an der linken und rechten Flanke des Gewindes gefertigt. Dadurch nimmt die Zahndicke von einem Ende der Schnecke zum anderen kontinuierlich zu – das Gewinde ist an einem Ende dicker und am anderen dünner. Beim zugehörigen Schneckenrad erzeugen die unterschiedlichen Flankenprofile unterschiedliche Zahnlückengeometrien an der Vorder- und Rückseite jedes Zahns, wobei die kritische Abmessung – die Zahndicke über den Umfang – konstant bleibt. Dies bedeutet, dass die Schnecke axial verschoben werden kann, um einen dickeren oder dünneren Abschnitt in den Eingriff mit dem Rad zu bringen und so das Zahnflankenspiel zu verringern oder zu vergrößern, ohne die Eingriffsgeometrie oder die Tragfähigkeit zu verändern.

In der Praxis erfolgt die Justierung über eine axiale Stellschraube oder einen Ausgleichsscheibenstapel am Schneckenwellenlagergehäuse – ein Vorgang, der mit Standard-Handwerkzeug in etwa 15 Minuten erledigt ist, ohne den Drehtisch aus der Maschine zu demontieren. Eine in den Referenzzahn der Schnecke eingefräste V-Nut markiert die spielfreie axiale Position. Ausgehend von dieser Position erstreckt sich der Einstellbereich typischerweise über ±0,8 mm axiale Verschiebung, was einem Spiel-Einstellbereich von ca. 0 bis 0,15 mm am Teilkreis entspricht, abhängig von der vorgegebenen Steigungsdifferenz. Ein gut gewarteter Duplex-Getriebesatz auf einem Produktionsrundtisch kann während seiner Lebensdauer 4 bis 6 Mal nachjustiert werden, bevor die Zahnräder über ihre Verschleißgrenze hinaus abgenutzt sind – wodurch sich die nutzbare Präzisionslebensdauer des Getriebesatzes effektiv um diesen Faktor vervielfacht.

Ersatzteilliste für gängige CNC-Komponentenmarken

Die unten aufgeführten Markennamen dienen lediglich der Größenangabe. Korea Ever-Power unterhält keine Geschäftsbeziehungen zu diesen Herstellern und ist kein autorisierter Vertriebspartner. Alle Markenrechte liegen bei den jeweiligen Inhabern.

Kundenprojektreferenzen

Standard-Industriemaschinen vs. CNC-Präzision – Acht Faktoren, die sie unterscheiden

Für CNC-Anwendungen, die eine komplett geschlossene Antriebseinheit anstelle von Einzelkomponenten erfordern, sind präzisionsabgestimmte Paare in abgedichteten Gehäusen erhältlich. Kompakt Schneckengetriebe Für Anwendungen mit Drehachsen und Indexierantrieben, bei denen ein montagefertiges Getriebe die praktischere Wahl gegenüber einem nackten Zahnradsatz darstellt, sind CNC-gefräste, aufeinander abgestimmte Getriebesätze erhältlich.

Häufig gestellte Fragen