CH622071A5 - - Google Patents

Description

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PATENTANSPRUCH Schraubengetriebe hoher Steigungsgenauigkeit mit zwischen Spindel und Mutter vorgesehenen Kugeln, die in schrauben-gangartig in der gehärteten Spindel und der gehärteten Mutter eingeschliffenen Kugelrillen gleicher Steigung aufgenommen und durch Mittel zur Rückführung der Kugeln umlenkbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Kugelrillentiefen zum Durchmesser der Kugeln (3) 1:4 bis 1:7 beträgt und die Kugelrillentiefe der Mutter die Tiefe der Kugelrillen in der Spindel übersteigt, wobei die Härtetiefe in der Spindel und der Mutter gleich oder grösser als der Durchmesser der Kugeln ist.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schraubengetriebe hoher Steigungsgenauigkeit gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs.

Bei den vorbeschriebenen bekannten Schraubengetrieben dieser Gattung (z.B. DE-AS 1 025 281) sind die Kugelrillen nahezu halbkreisförmig profiliert. Im übrigen reichen die Profile der Kugelrillen von Schraubengetrieben allgemein von Spitzprofilen über Trapezgewinde bis zu dem sogenannten gotischen Profil mit definierter Traglinie für die Kugeln. Das gotische Profil findet bevorzugt bei hochgenauen Schraubengetrieben Anwendung.

Die Beschaffenheit des Kugelrillenprofils sowie die Härte der Kugelrille sind wichtige Voraussetzungen für eine lange Lebensdauer und für die Erhaltung insbesondere der Anfangsgenauigkeit eines Schraubengetriebes. Es ergeben sich für die Praxis besonders günstige Voraussetzungen dann, wenn einerseits eine genaue, gleichbleibende Profilform über die gesamte Spindellänge vorhanden ist, wobei die Profilrille mit nur geringstmöglichen Steigungsfehlern behaftet ist und wenn andererseits eine gleichbleibend hohe Härte von 62-64 HR C in den tragenden Kugelrillenflanken ebenso vorhanden ist, wie eine ausreichende Härtetiefe zur Erhaltung der Steifigkeit.

Diese besonders günstigen Eigenschaften können bei hochgenauen Schraubengetrieben vorbekannter Art jedoch nur durch eine höchst aufwendige Fertigung mit einer Vielzahl von einzelnen Arbeitsgängen erreicht werden, die nacheinander wie folgt beschrieben werden.

1. In einem ersten Arbeitsgang ist es erforderlich, dass eine Probehärtung eines glatten zylindrischen Stabs aus derselben Charge des Spindelmaterials durchgeführt wird, damit die Werte des Längenverzuges festgestellt werden können.

2. Unter Berücksichtigung des ermittelten Längenverzuges erfolgt sodann in einem zweiten Arbeitsgang ein korrigiertes Vordrehen oder Vorwirbeln der Kugelrille auf dem Spindelabschnitt, um hierdurch das zeitaufwendige Schleifen der Kugelrille in das Vollmaterial einer gehärteten Stange mit den dabei freiwerdenden Spannungen und Verzügen in der Spindel zu vermeiden.

3. Nach Abschluss dieser Arbeiten wird die Spindel in einem dritten Arbeitsgang gehärtet, vorzugsweise flamm- oder induktivgehärtet.

4. Nachfolgend wird die Spindel in einem vierten Arbeitsgang angelassen, gereinigt und einer Kontrolle unterzogen, in welcher eine Rissprüfung ebenso vorgenommen wird, wie der Längenverzug festgestellt wird.

5. In einem fünften Arbeitsgang wird die Spindel gerichtet.

6. Nach dem Richten wird die Spindel in einem sechsten Arbeitsgang aussen rundgeschliffen.

7. In einem siebten Arbeitsgang wird schliesslich das Kugelrillenprofil geschliffen, wobei gegebenenfalls Korrekturen wegen des beim Härten entstandenen Längenverzugs durchgeführt werden müssen.

Diese fertigungstechnischen Belange sind auch in einem Aufsatz in «Werkstatt und Betrieb», Jahrg. 1973, Heft 4, S. 213-218, insbesondere S. 216, Abschnitt 4, angesprochen.

Der vorerwähnte dritte Arbeitsgang ist mit besonderer Sorgfalt durchzuführen, da der zu härtende stangenartige Körper aussen keine ununterbrochen durchgehende zylindrische Gestalt mehr aufweist. Ausserdem sind Kugelrillenprofile - bezogen auf die einzelnen Durchmesser der Spindeln - mit anderer Kugelrillentiefe und Steigung zu berücksichtigen. Es besteht daher die Gefahr von Härteunterschieden in den Gewindeflanken, die zu Spannungsrissen führen. Der siebte Arbeitsgang, in welchem das Kugelrillenprofil geschliffen wird, bereitet besondere Schwierigkeiten, wenn die Härte und die Härtetiefe nicht gleichmässig sind, so dass unkontrollierbare Spannungen beim Fertigschleifen auftreten können. Die Folge davon ist, dass Abweichungen hinsichtlich der Steigungsgenauigkeit eintreten, so dass der Rundlauf der Spindel beeinträchtigt wird. Selbst nachträglich durchgeführte Richtarbeiten können diese Nachteile nicht ausschalten, vielmehr treten dabei erneut Spannungen auf.

Demnach werden die vorbekannten Schraubengetriebe dieser Gattung (DE-AS 1 025 281) mit ihren tief ausgelegten Kugelrillen unter einem grossen Anteil an Zerspannungsauf-wand hergestellt. Zur Erreichung der erforderlichen Festigkeit sind zudem relativ grosse Härtetiefen erforderlich. Ausserdem bedarf es bei der geforderten Präzision äusserster Sorgfalt während eines jeden einzelnen Arbeitsganges. Da diese Sorgfalt regelmässig nicht eingehalten werden kann, führt dieser Umstand naturgemäss zu erheblichen Schwierigkeiten, insbesondere zu hohen Ausschussquoten.

Abweichend von der vorstehend geschilderten Fertigungsweise, hat man auch schon versucht, die Kugelrillen mit zwei unterschiedlichen Schleifvorgängen (Vorschleifen und Fertigschleifen) in den gehärteten Spindelrohling einzubringen. («Machines & Tooling», Band XLI No. 8, S. 39-42; vgl. insbesondere den Abschnitt «Three Methods of Manufacture» auf S. 40 und 41). Diese mit extrem hohen Arbeitskosten verbundene langwierige Fertigungsweise birgt bei bereits geringer Steigerung der Arbeitsgeschwindigkeit die Gefahr, dass der Spindelwerkstoff verbrennt und reisst..

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, ein Schraubengetriebe hoher Steigungsgenauigkeit zu schaffen, das bei verbesserten Laufeigenschaften einen wesentlich geringeren Fertigungsaufwand als bisher erfordert.

Diese Aufgabe wurde gemäss dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches gelöst.

Dank der Tiefe der von Axial-Rillenkugellagern erhöhter Genauigkeit her bekannten Kugelrillen kann bei dem erfin-dungsgemässen Schraubengetriebe die Laufflächenform der Kugelrillen mit der gewünschten Steigung direkt in die gehärtete, glatte Oberfläche sowohl der Spindel als auch der Mutter eingeschliffen werden. Hierdurch wird trotz Beibehaltung der gewünschten hohen Genauigkeit eine erhebliche Vereinfachung der Fertigung erzielt. Da die durch Schleifen abgetragene Werkstoffmenge bei der Herstellung der Kugelrillen nur verhältnismässig gering ist, ermöglicht die Erfindung trotz geringer - und deshalb thermisch unbedenklicher - Umfangsgeschwindigkeiten an den Schleifwerkzeugen dennoch eine gute Fertigungsleistung. Bei der Herstellung der erfindungsge-mässen Spindel entfällt, im Unterschied zum Bekannten, sowohl der erste als auch der zweite Arbeitsgang (Probehärtung, Feststellen des Längenverzugs, Vordrehen oder Vorwirbeln des Gewindes). Ein weiterer Vorteil, der im Zusammenhang mit dem direkten Einschieifen der Laufflächenform in die gehärtete Oberfläche eintritt, ist darin zu sehen, dass auch nunmehr die bei den vorbekannten Kugelrillenspindeln unumgänglichen Arbeitsaufwendungen für die Längenverzugskontrolle, für das Reinigen der gehärteten und angelassenen vor2

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gedrehten Spindel und auch sogar das korrigierte Schleifen des Kugelrillenprofils, welches den vorbekannten siebten Arbeitsgang betrifft, entfallen können.

Ein weiterer Vorteil besteht auch darin, dass die Entstehung von freiwerdenden Spannungen beim Schleifen der Kugelrillen wegen der gleichbleibenden, im Vergleich zur Kugelrillentiefe grossen Härtetiefe ausgeschaltet ist. Die erzielbare Steigungsgenauigkeit ist daher nur noch von der Schleifmaschinengenauigkeit abhängig, und es können somit ohne besonderen Aufwand Spindelpaare gleicher Genauigkeit geschliffen werden.

Die Erfindung sieht vor, dass die Härtetiefe mindestens gleich oder grösser als der Durchmesser der Kugeln ist. Bei dieser Ausgestaltung wird garantiert, dass die Kernzone die notwendig Zähigkeit beibehält.

Ferner ergibt die Übertragung der bekannten Toleranzen bei der Fertigung von Axial-Rillenkugellagern erhöhter Genauigkeit auf das Schleifen der Kugelrillen von Schraubengetrieben eine Mindestradialbelastung der Kugelrillen und der Kugeln, die überraschenderweise noch erheblich vermindert wird, weil beim erfindungsgemässen Schraubengetriebe - im Gegensatz zum ebenen Rillenkugellager - die Kugeln innerhalb der Steigung abrollen können. Dies trägt erheblich zur Begünstitung der Lebensdauer einer derartigen Anordnung bei.

Ausserdem schlägt die Erfindung vor, dass das Verhältnis der Kugelrillentiefe zum Durchmesser der Kugeln 1:4 bis 1:7 beträgt. Hierbei übersteigt die Kugelrillentiefe in der Mutter entsprechend ihrem höheren Abnutzungsgrad die Tiefe der Kugelrillen in der Spindel. So ist beispielsweise die Kugelrillentiefe in der Spindel im Verhältnis zum Durchmesser der Kugeln etwa angenähert 1:5 ausgelegt, während die Kugelrillentiefe in der Mutter im Verhältnis zum Durchmesser der Kugeln etwa angenähert 1:4,5 ausgelegt ist. Durch die grössere Rillentiefe in der Mutter wird ein günstiger Abstützwinkel erzielt, wodurch die an sich schon geringe Abnutzung zwischen Mutter und Spindel vergleichmässigt wird.

Weiterhin gestattet die Erfindung wegen der geringen Rillentiefe dünne leichte Muttern. Die Wandung einer erfindungsgemässen Mutter braucht nur so stark zu sein, dass die nötige Steifigkeit des Spindel-Muttersystems vorhanden ist.

Das erfindungsgemässe Schraubengetriebe zeichnet sich vor allem durch einen störungsfreien, verschleissarmen leisen Lauf aus. Dieser Vorteil kommt dadurch zustande, dass die Kugeln bei ihrer Rückführung, z.B. in einem Einzelüberlauf-Einsatz-stück, nur sehr flache Kugelrillenflanken zu überklettern brauchen.

Im übrigen ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes auf der Zeichnung wiedergegeben. Es zeigt

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Fig. 1 ein Schraubengetriebe im Längsschnitt,

Fig. 2 eine vergrösserte Wiedergabe der Einzelheit «x» gemäss der Fig. 1.

Bei der wiedergegebenen Spindel 1 sind Kugelrillen 2 in den Umfang der Spindel schraubengangartig eingeschliffen. Ebenfalls sind in einer Mutter 5 Kugelrillen 4 in der gleichen Weise eingeschliffen, so dass die Kugelrillen 2 der Spindel 1 und die Kugelrillen 4 der Mutter 5 gleiche Steigung (so z.B. 6 mm) besitzen. Die Kugeln 3 rollen zwischen diesen Kugelrillen 2 der Spindel und den Kugelrillen 4 der Mutter 5 ab. Zwischen der Spindel 1 und der Mutter 5 ist ein freier Ringraum 6 vorgesehen, welcher als Fettraum genutzt werden kann und nach aussen hin durch mutterseitige Abstreifer 7 axial abgedichtet ist.

Bei der vorliegenden Ausführungsform soll die Rauhtiefe der Kugelrillen 2 und 4 gleich bzw. kleiner als 1 [im sein. Ferner sollen die Kugelrillen 2 und 4 über ihre gesamte Ausdehnung bis in die Rinnenränder 2a und 4a Härtewerte aufweisen, die 62 bis 64 HR C nicht unterschreiten. Diese Forderung ist bei Kugellagerstählen unschwer zu erfüllen. Ferner sollte die Härtetiefe in Spindel 1 und Mutter 5 zur Erzielung hoher Steifigkeit des Spindel-Muttersystems mindestens gleich oder grösser sein als der Durchmesser der Kugeln 3.

Insbesondere ist in der vergrösserten Einzelheitdarstellung nach Fig. 2 das Verhältnis von Tiefe der Kugelrillen 2 und 4 zum Durchmesser der Kugeln 3 erkennbar.

Wenn die Tiefe der Kugelrille 2 in der Spindel 1 gemäss dem Ausführungsbeispiel x = 0,6 mm beträgt, die Kugel jedoch einen Durchmesser von y = 3,175 mm aufweist, ergibt sich ein Verhältnis von etwa angenähert 1:5. Im Gegensatz hierzu ist die Tiefe der Kugelrille 4 in der Mutter 5 mit etwa z = 0,7 mm angegeben, so dass hier eine grössere Tiefe vorherrscht. Die Tiefe von z = 0,7 mm entspricht, ins Verhältnis zum Kugeldurchmesser gesetzt, etwa einem Wert von 1:4,5. Hat die Spindel eine grössere Länge, dann kann die Tiefe auch grösser sein, z. B. x = 0,8 mm betragen, und zwar entsprechend einem Verhältnis von 1:4.

In allen Fällen der gewählten Rillentiefe ist der Schmie-gungsfaktor entsprechend der Lehre bei Axial-Rillenkugella-gern zu wählen.

Es ist noch zu erwähnen, dass für einen ungestörten Kugelumlauf in der Mutter 5 noch - nicht dargestellte - Mittel vorgesehen sind, die eine Über- bzw. Rückführung der Kugeln gestatten. Beispielsweise könnte man sich bekannter Einzelüberlauf-Einsatzstücke bedienen oder sonstige, eine reibungslose Kugelumlenkung durchführende Mittel anwenden.

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1 Blatt Zeichnungen