Dreh-zu-Linear-Umwandlung

Wenn sich ein servogetriebenes Ritzel gegen das Zahnprofil der Zahnstange dreht, verschiebt jeder Zahnkontakt den Zahnstangenkörper entlang seiner Längsachse. Dieser Zusammenhang ist absolut deterministisch: Eine volle Ritzelumdrehung bewegt die Zahnstange um exakt (π × Modul × Ritzelzahnzahl) Millimeter. Diese mathematische Gewissheit ist der Grund, warum Werkzeugmaschinenhersteller bei höchster Positionsgenauigkeit auf Zahnstangenantriebe anstelle von pneumatischen oder Kettenantrieben setzen.

Zahngeometrie und Modulauswahl

Der Modulwert (m) bestimmt die Größe jedes Zahns und damit die übertragbare Last pro Zahnbreiteneinheit. Werkzeugmaschinen-Gestelle verwenden typischerweise Module zwischen m1 und m10. Für Hochgeschwindigkeitsachsen werden spiralförmige Zahnprofile mit einem Steigungswinkel von 15°–20° bevorzugt, da sie die Eingriffslast auf eine größere Kontaktfläche verteilen und so Geräusche und Vibrationen bei schnellen Verfahrbewegungen reduzieren.

Werkstoff- und Oberflächentechnik

Die Werkzeugmaschinen-Gestelle von Ever Power werden je nach Härte- und Zähigkeitsanforderungen aus C45E-, 42CrMo4- oder 20MnCr5-Stahl gefertigt. Durch Induktionshärtung der Zahnflanken wird eine Oberflächenhärte von 58–62 HRC bei gleichzeitigem Erhalt des zähen Kerns erzielt. Optionale Hartverchromung oder Manganphosphatierung erhöhen die Korrosionsbeständigkeit in Umgebungen mit wasserbasierten Kühlschmierstoffen – eine gängige Anforderung in britischen Fertigungsbetrieben, die rund um die Uhr mit Kühlschmierstoffen arbeiten.

✓ Präzise lineare Positionierung

Geschliffene Zahnflanken in Kombination mit geringen kumulativen Teilungsfehlern gewährleisten, dass die Positionsgenauigkeit im Mikrometerbereich bleibt, der für moderne CNC-Bearbeitung, einschließlich komplexer Konturfräsarbeiten und mehrachsiger Interpolation, erforderlich ist.

✓ Hohe Belastbarkeit

Breitflächige, hochmodulige Zahnstangen übertragen erhebliche Tangentialkräfte ohne Verformung und eignen sich daher hervorragend für Schwerlast-Portalbearbeitungszentren, die große Spindelköpfe und Bohrwerkzeuge mit großem Durchmesser tragen.

✓ Minimaler Rückstoß

Bei Verwendung mit einer federbelasteten oder exzentrisch eingestellten spielfreien Ritzelanordnung erreichen unsere Zahnstangen eine nahezu spielfreie Positionsbewegung, was insbesondere bei Umkehrbewegungen in Konturbearbeitungen von Vorteil ist, da ein Achsenüberschwingen Spuren auf der Werkstückoberfläche erzeugen würde.

✓ Effiziente Energieübertragung

Bei ordnungsgemäß geschmierten Zahnstangenantrieben werden Übertragungswirkungsgrade von über 98% erreicht, was bedeutet, dass die volle Leistung des Servoantriebs die Schneidzone erreicht und nicht im Antriebsstrang durch Wärme verloren geht – ein bedeutender Beitrag zum Energiemanagement in britischen Betrieben, die mit steigenden Stromkosten zu kämpfen haben.

✓ Lange Lebensdauer

Induktionsgehärtete Zahnoberflächen widerstehen abrasivem Verschleiß durch Späne und der leichten Korrosion durch wassermischbare Kühlschmierstoffe. Bei korrekten Schmierintervallen erreichen unsere Werkzeugmaschinen-Gestelle regelmäßig Zehntausende von Betriebsstunden, bevor sie ausgetauscht werden müssen.

✓ Skalierbare Längen durch Stumpfverbindung

Einzelne Zahnstangensegmente lassen sich stumpf aneinanderfügen, um einen nahezu unbegrenzten Verfahrweg zu realisieren, sofern beim Verbinden die Zahnteilung über die gesamte Verbindungsstelle hinweg erhalten bleibt. Wir liefern Segmentsätze mit angepasster Zahnteilung und stellen die vollständige technische Dokumentation für die korrekte Montage an Portalmaschinen mit großem Verfahrweg bereit.

✓ Kostengünstiger als Kugelgewindetrieb

Bei Verfahrwegen über ca. 1500 mm ist ein Zahnstangenantrieb in der Regel deutlich günstiger als eine vergleichbare Kugelgewindespindel. Die Vorteile verstärken sich bei großen Verfahrwegen: keine Einschränkungen durch Spindelschwingungen, höhere Eilganggeschwindigkeiten und einfacher Austausch vor Ort ohne Maschinendemontage.

▶ CNC-Bearbeitungszentren (X-, Y-, Z-Achse)

Drei- und Fünfachs-CNC-Bearbeitungszentren stellen die anspruchsvollsten Anwendungen für Zahnstangen in der Werkzeugmaschinenwelt dar. Die Zahnstange muss Eilganggeschwindigkeiten von über 30 m/min ermöglichen und gleichzeitig eine Positioniergenauigkeit von ±0,005 mm über den gesamten Hub gewährleisten. Schrägverzahnte Zahnstangen mit einer Oberflächengüte von DIN 5 oder besser, kombiniert mit vorgespannten Doppelritzelantrieben, sind die Standardlösung. Eine Oberflächenhärte von über 58 HRC ist unerlässlich, um den hohen Hertzschen Kontaktspannungen bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten standzuhalten.

▶ Portalfräsmaschinen

Große Portalfräsmaschinen für den Formenbau, die Fertigung von Strukturbauteilen für die Luft- und Raumfahrt sowie die Herstellung von Komponenten für die Energieerzeugung benötigen Zahnstangenantriebe, die gleichzeitig auf beiden Längsschienen links und rechts laufen. Die Synchronisation der beiden Ritzelachsen erfolgt über ein elektronisches Getriebe. Die Zahnstange muss der hohen dynamischen Belastung durch die Gesamtmasse von Brücke, Stößel und Spindeleinheit standhalten. Typischerweise werden Zahnstangen der Module m5–m8 mit großen Stirnbreiten (40–80 mm) eingesetzt. Stumpf gestoßene Segmente ermöglichen die von diesen Maschinen benötigten Verfahrwege – die mitunter 10 Meter überschreiten.

▶ CNC-Drehmaschinen und Drehzentren

In Drehzentren kommen Zahnstangen am häufigsten im Z-Achsen-Schlittenantrieb und im Reitstock-Positioniermechanismus zum Einsatz. Die Z-Achsen-Zahnstange muss der Schubkraft standhalten, die bei schweren Drehvorgängen an Werkstücken mit großem Durchmesser entsteht. Wärmebehandelte Zahnstangen aus 42CrMo4 mit Phosphatbeschichtung bieten die optimale Balance zwischen Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit in der kühlmittelreichen Umgebung einer Drehmaschine.

▶ Bohr- und Gewindeschneidmaschinen

Vertikalbohrmaschinen und Radialbohrmaschinen nutzen Zahnstangen zur Steuerung der Bohrtiefe und – im Fall von Radialbohrmaschinen – der horizontalen Auslegerbewegung. Beim Bohren wirken zyklische axiale Belastungen auf die Zahnstange, die sich tausendfach pro Schicht wiederholen. Die Zahnstangen dieser Maschinen profitieren von einsatzgehärteten Oberflächen in Kombination mit einem zähen, stoßdämpfenden Kern, um den impulsartigen Belastungen standzuhalten, die beim Durchbohren des Werkstücks auftreten.

▶ Flächen- und Rundschleifmaschinen

Schleifmaschinen erfordern höchste Zahngenauigkeit. Der Längsverfahrschlitten einer Flachschleifmaschine muss eine absolut gleichmäßige Bewegung ohne Ruckgleiten gewährleisten, da die Schleifscheibe sonst Rattermarken am Werkstück hinterlässt. Präzisionsgeschliffene Schlitten nach DIN 4 oder DIN 5, montiert auf gehärteten und geschliffenen Führungsflächen mit automatischer Ölnebelschmierung, gewährleisten die für den Schleifprozess notwendige Laufruhe.

▶ Automatisierte Palettenwechsler und Werkzeugmagazine

Neben den Hauptachsen der Maschine kommen Zahnstangen auch in den Palettenshuttleantrieben von flexiblen Fertigungssystemen (FMS) und in den kettenlosen Werkzeugmagazinen horizontaler Bearbeitungszentren zum Einsatz. Diese Hilfsantriebe laufen während der Produktion ständig – manchmal sogar häufiger als die Hauptachsen – wodurch ihre Verschleißfestigkeit und Schmierstoffversorgung besonders wichtig für die Gesamtmaschinenverfügbarkeit sind.

Fallstudie

Werkzeughersteller für die Luft- und Raumfahrt aus den West Midlands reduziert Achsenpositionierungsfehler um 681 TP5T

Kunde: Ein mittelständisches Unternehmen für Präzisionswerkzeuge mit Sitz in Wolverhampton, West Midlands, beliefert führende Erstausrüster der Luft- und Raumfahrtindustrie mit Strukturbauteilen aus Aluminium und Titan. Der Betrieb verfügt über drei horizontale Bearbeitungszentren und eine große Portalfräsmaschine mit einem Verfahrweg von 6 Metern in X-Richtung.

Das Problem: Die vorhandenen Zahnstangen der X-Achse der Portalmaschine, die von einem europäischen Standardlieferanten stammten, wiesen innerhalb von 8.000 Betriebsstunden kumulative Teilungsfehler von 0,04 mm pro 300 mm auf. Die Ausschussrate an den Rippentaschen mit engen Toleranzen lag bei 3,21 TP5T, und das Wartungsteam verbrachte jährlich etwa 60 Stunden mit der Neukalibrierung der Achsenkompensationstabellen.

Die EverPower-Lösung: Wir lieferten paarweise angeordnete, nach DIN 5 geschliffene Schrägverzahnungs-Zahnstangensegmente aus 20MnCr5 mit Einsatzhärtung auf 60 HRC und Hartverchromung der Zahnflanken für verbesserte Kühlmittelbeständigkeit. Die Segmente wurden mit einer Master-Teilungsdokumentation geliefert, die es dem Wartungsteam ermöglicht, die Zahnteilungskontinuität an den Stoßverbindungen mithilfe des vorhandenen Renishaw-Kugelstangensatzes des Kunden zu überprüfen.

Ergebnis: Nach 14.000 Betriebsstunden im Dauerbetrieb betrug der kumulative Teilungsfehler lediglich 0,013 mm pro 300 mm – eine Verbesserung um 681 TP5T gegenüber dem vorherigen System. Die Ausschussrate sank auf unter 0,51 TP5T, und eine Neukalibrierung der Achsenkompensation war seit der Installation nicht mehr erforderlich. Der Kunde setzt daher bei allen zukünftigen Maschinenmodernisierungsprojekten standardmäßig auf Ever Power-Racks.

„Wir haben die präzisionsgeschliffenen Zahnstangen von Ever Power auf unserer Doosan HMC gegen zwei andere Anbieter getestet. Die Dokumentation zur Teilgenauigkeit war mit Abstand die gründlichste, und nach achtzehn Monaten hatten wir keinen einzigen Achsenalarm, der auf Verschleiß der Zahnstangen zurückzuführen wäre.“

— Leitender Instandhaltungsingenieur, CNC-Bearbeitungs-Subunternehmer, Sheffield, Süd-Yorkshire

„Die Lieferzeit für eine Sondermodulkombination betrug von der Anfrage bis zur Auslieferung 12 Tage. Das technische Supportteam beantwortete während der Konstruktionsphase alle Fragen zur Zahnprofilkompatibilität. Wir werden unsere Flachschleifmaschinen nicht woanders überholen lassen.“

— Konstruktionsingenieur (Maschinenbau), Hersteller von Schleifmaschinen, Bristol, Südwestengland

„Die Berechnung der jährlichen Betriebskosten fiel eindeutig zugunsten von Ever Power im Vergleich zu unserem vorherigen Rack-Lieferanten aus, insbesondere wenn man die geringere Schmierhäufigkeit berücksichtigt, die die Hartchrom-Oberfläche ermöglicht. Unser Einkaufsleiter war zufrieden, und wir auch.“

— Produktionsleiter, Hersteller von Presswerkzeugen für die Automobilindustrie, Coventry, West Midlands

DIN 4

Feinstes geschliffenes Zahnstangenmaterial für hochpräzise CNC-Anwendungen

3 m

Maximale Einzelsegmentlänge mit passenden Verbindungsstücken für unbegrenzte Reichweite

m1–m10

Vollständiges Modulsortiment in sowohl sporn- als auch spiralförmigen Zahnformen

12 Tage

Übliche Lieferzeit für kundenspezifische Bestellungen nach Großbritannien

Was ist der typische Preis für eine Präzisionszahnstange für ein CNC-Bearbeitungszentrum, und kann ich ein Angebot von einem in Großbritannien erreichbaren Lieferanten erhalten?

Die Preise für Zahnstangen für Werkzeugmaschinen variieren erheblich je nach Modul, Länge, Genauigkeitsklasse, Werkstoff und Oberflächenbehandlung. Eine Standard-Stirnradzahnstange aus C45E-Stahl mit DIN-7-Genauigkeit ist in der Regel günstiger als eine schrägverzahnte Zahnstange aus 42CrMo4 mit DIN-5-Genauigkeit. Am zuverlässigsten ist es, wenn Sie Ihre Spezifikation – einschließlich Modul, Länge, Steigungswinkel (falls zutreffend), Genauigkeitsklasse und benötigter Menge – an unser Team übermitteln. [email protected] Für ein verbindliches Angebot kontaktieren Sie uns bitte. Ever Power ist für Käufer in Großbritannien uneingeschränkt erreichbar und liefert direkt in alle Teile des Vereinigten Königreichs.

Wie wähle ich in Großbritannien zwischen einer Stirnrad- und einer Schrägverzahnungszahnstange für den Achsenantrieb meiner CNC-Fräsmaschine?

Stirnradzahnstangen sind einfacher zu montieren und verzeihen kleinere Ausrichtungsungenauigkeiten besser. Daher eignen sie sich besonders für langsamere Achsen und Anwendungen mit Eilganggeschwindigkeiten unter ca. 15 m/min. Schrägverzahnte Zahnstangen bieten ein höheres Eingriffsverhältnis, wodurch die Last auf mehr Zähne gleichzeitig verteilt wird. Dies reduziert Geräusche und verbessert die Laufruhe bei höheren Verfahrgeschwindigkeiten. Für moderne CNC-Fräsmaschinen, bei denen Eilganggeschwindigkeiten über 20 m/min liegen und die Oberflächengüte entscheidend ist, ist eine schrägverzahnte Zahnstange mit einem Schrägungswinkel von 15°–20° fast immer die richtige Wahl. Wir beraten Sie gerne hinsichtlich der exakten Schrägungsrichtung (links- oder rechtsdrehend), die für Ihre spezifische Ritzelkonfiguration erforderlich ist.

Wo finde ich in Großbritannien einen zuverlässigen Lieferanten von Zahnstangen, der schnelle Lieferungen für die Wartung und Reparatur von Werkzeugmaschinen anbietet?

Ever Power liefert Zahnstangen direkt an Wartungsteams für Werkzeugmaschinen und Maschinenbauer in Großbritannien. Die Standardlieferzeit beträgt 7–10 Werktage für Adressen auf dem britischen Festland. Für dringende Ausfälle sind Expresslieferungen möglich. Unser Lagerbestand der gängigsten Zahnstangenmodule für Werkzeugmaschinen – darunter M2, M3, M4 und M5 in Stirn- und Schrägverzahnung – ermöglicht eine schnelle Bearbeitung vieler Ersatzteilanforderungen. Kontaktieren Sie uns. [email protected] Bitte teilen Sie uns Ihren Maschinentyp, Ihr aktuelles Rack-Modul und die benötigte Länge mit. Unser technisches Team wird Ihnen innerhalb eines Werktages die Verfügbarkeit und den Preis bestätigen.

Wie oft sollten Zahnstangen an einem CNC-Bearbeitungszentrum im Zweischichtbetrieb in einem britischen Luft- und Raumfahrtunternehmen ausgetauscht werden?

Die Lebensdauer hängt maßgeblich von der Schmierung, der Genauigkeit der Zahnstangen, der Zahnhärte und der Art der Zerspanung ab. In einer gut gewarteten Zweischicht-Luftfahrtumgebung mit zentraler Ölschmierung und induktionsgehärteten Zahnstangen, die nach DIN 5 oder besser geschliffen sind, lassen sich Lebensdauern von 20.000 bis 40.000 Betriebsstunden erreichen. Auslöser für einen Austausch sollte ein gemessener kumulativer Teilungsfehler sein, der den Achsenkompensationsbereich Ihrer Maschine überschreitet, nicht ein festes Kalenderintervall. Wir empfehlen, alle 5.000 Stunden eine formale Teilungsgenauigkeitsprüfung mit einem Kugelstab oder Laserinterferometer durchzuführen und die Ergebnisse mit dem Original-Prüfzertifikat der Zahnstange zu vergleichen.

Wie lässt sich das Zahnflankenspiel in einem Zahnstangen- und Ritzelantrieb einer großen Portalfräsmaschine, die für die Herstellung von Automobilwerkzeugen verwendet wird, am besten reduzieren?

Die effektivste Lösung für Portalmaschinen ist eine spielfreie Doppelritzelanordnung. Dabei werden zwei Ritzel gegenläufig angetrieben – eines trägt die Sollkraft, das andere wird von der gegenüberliegenden Zahnflanke gegen die Zahnstange vorgespannt. Dies eliminiert das Spiel zwischen Zahnstange und Ritzel, das den als Umkehrspiel bekannten Achsenfehler verursacht. In Kombination mit einer präzisionsgeschliffenen Schrägzahnstange nach DIN 5 oder DIN 4 und einem servogesteuerten elektronischen Vorspannmoment lassen sich Umkehrfehler von unter 2 Mikrometern bei großen Portalmaschinen für die Automobilindustrie erzielen. Unsere Anwendungstechniker unterstützen Sie gerne bei der Dimensionierung des Vorspannmoments und der Auswahl des passenden Zahnstangenmoduls für Ihre spezifische Maschinenkonfiguration.

Kann ich für ein Werkzeugmaschinen-Überholungsprojekt eine kundenspezifische Zahnstange nach einem nicht standardmäßigen Modul anfertigen lassen, und wie lange dauert die Lieferung nach Großbritannien in der Regel?

Ja – kundenspezifische Zahnstangen mit Sondermodulen und nicht standardmäßigen Querschnitten gehören zu unserem Kerngeschäft. Maschineninstandsetzer, die ältere europäische oder amerikanische Werkzeugmaschinen überholen, stoßen häufig auf Zahnstangen mit Zollteilung. Wir fertigen metrische Entsprechungen oder exakte Nachbildungen in Zoll anhand der Maßangaben der verschlissenen Originalteile. Die Lieferzeiten für kundenspezifische Zahnstangen betragen in der Regel 3–4 Wochen innerhalb Großbritanniens, abhängig von der Komplexität der Zahnform und der Verfügbarkeit des Rohmaterials in der benötigten Güte. Bitte senden Sie uns Ihre Maßangaben oder Fotos von Original-Zahnstangenmustern an [E-Mail-Adresse einfügen]. [email protected] um mit dem individuellen Designprozess zu beginnen.