Leitwert-Auswahl-Leitfaden für Kugelgewindetriebe in der Spritzgussverarbeitung | YOSO

Bei der Spezifikation von Kugelgewindetrieben für voll-elektrische Spritzgießmaschinen ist eine der folgenreichsten Entscheidungen zugleich eine der am häufigsten übersehenen: schraubenhub der Leitwert – also die Strecke, die die Mutter pro einer Umdrehung der Schraubenspindel zurücklegt – bestimmt unmittelbar den Zusammenhang zwischen Motordrehzahl, linearer Geschwindigkeit und Schubkraft.

Wählen Sie eine zu feine Steigung, und die Maschine erreicht nicht die erforderlichen Einspritzgeschwindigkeiten. Wählen Sie eine zu grobe Steigung, und Sie verlieren Schubkraft sowie Positioniergenauigkeit. Die richtige Wahl bedeutet, dass die Maschine alle Leistungsziele erreicht; die falsche Wahl führt zu Kompromissen bei Geschwindigkeit, Kraft oder Genauigkeit.

Diese Anleitung erläutert, wie die Steigung einer Kugelgewindespindel funktioniert, welche Abwägungen dabei zu berücksichtigen sind und wie Sie für jede Achse einer Spritzgießmaschine die optimale Steigung auswählen.

Was ist die Steigung einer Kugelgewindespindel?

Die blei die Steigung einer Kugelgewindespindel ist die lineare Strecke, um die sich die Mutter bei einer vollen 360°-Drehung der Spindelwelle vorwärts bewegt. Sie wird in Millimetern pro Umdrehung (mm/U) angegeben.

Häufig verwendete Steigrößen für Spritzgießanwendungen umfassen:

• Feine Steigungen : 5 mm, 6 mm, 8 mm, 10 mm/U
• Mittlere Steigungen : 16 mm, 20 mm, 25 mm/U
• Hohe Steigungen : 32 mm, 40 mm, 50 mm/Umdrehung
• Ultra-hohe Steigungen : 63 mm, 80 mm, 100 mm/Umdrehung

Wichtig: Steigung ≠ Teilung Die Teilung ist der Abstand zwischen benachbarten Gewindegängen. Bei einsteifigen Schrauben entspricht die Steigung der Teilung. Bei mehrsteifigen Schrauben (zwei-steif, vier-steif usw.) gilt: Steigung = Teilung × Anzahl der Steifungen. Hochsteigende Kugelgewindetriebe sind nahezu immer mehrsteif ausgeführt, um eine geeignete Kugelgröße und Tragfähigkeit zu gewährleisten.

Der grundlegende Kompromiss: Geschwindigkeit vs. Schubkraft

Die Steigung des Kugelgewindetriebs erzeugt eine umgekehrt proportionale Beziehung zwischen linearer Geschwindigkeit und Schubkraft, die sich aus grundlegenden mechanischen Prinzipien ergibt:

Lineare Geschwindigkeit = Drehzahl der Schraube × Steigung

• Eine Verdopplung der Steigung verdoppelt die lineare Geschwindigkeit bei gleicher Drehzahl
• Beispiel: 1.500 min⁻¹ × 10 mm Steigung = 15 m/min; 1.500 min⁻¹ × 20 mm Steigung = 30 m/min

Schubkraft = Drehmoment × 2π / Steigung × Wirkungsgrad

• Eine Verdoppelung der Steigung halbiert die Schubkraft bei gleichem Drehmoment
• Beispiel: 10 Nm Drehmoment × 2π / 0,01 m × 90 % Wirkungsgrad = ca. 5.650 N; bei 20 mm Steigung → ca. 2.825 N

Dies ist der zentrale Kompromiss:

• Feine Steigung → hoher Schub, niedrige Geschwindigkeit, hohe Positionierungsauflösung
• Hohe Steigung → geringer Schub, hohe Geschwindigkeit, niedrigere Positionierungsauflösung

Die Aufgabe des Konstrukteurs besteht darin, die Steigung zu ermitteln, die sowohl die Geschwindigkeitsanforderung ALS AUCH die Schubkraftanforderung erfüllt, unter Berücksichtigung des verfügbaren Motordrehmoments.

Steigungsauswahl für die Spritzgießachse

Jede Achse einer Spritzgießmaschine hat unterschiedliche Geschwindigkeits- und Kraftanforderungen, daher benötigt jede Achse eine andere Steigungstrategie.

1. Schließachse

Empfohlen: Feine bis mittlere Steigung (10–20 mm/Umdrehung)

Die Schließachse erfordert maximale Schubkraft und moderate Geschwindigkeit. Die Formschließkraft kann bei kleinen Maschinen 50 kN und bei Großmaschinen mit hohem Tonnenmaß über 5.000 kN betragen.

Warum feine bis mittlere Steigung:

• Hoher mechanischer Übersetzungsfaktor erzeugt enorme Schließkraft aus vernünftigem Motordrehmoment
• Die Geschwindigkeit ist akzeptabel – Schließwege sind relativ langsame Vorgänge
• Feine Auflösung ermöglicht präzise Positionierung zum Formschutz (Schließen mit geringem Druck)

Typische Beispiele:

• Kleine Maschine (50–100 t): 16 mm Steigung, Ø40 mm Spindel
• Mittlere Maschine (200–350 t): 20 mm Steigung, Ø50–63 mm Spindel
• Große Maschine (500 T+): 16–20 mm Steigung, Ø80–100 mm Spindel (häufig Zweispindelausführung)

Wichtige Überlegung: Spannachsen verwenden typischerweise die dicksten Spindeln mit der feinsten Steigung im Verhältnis zum Schaftdurchmesser, um die Schubkraft maximal zu erhöhen.

2. Einspritzachse

Empfohlen: Mittlere bis hohe Steigung (20–40 mm/Umdrehung)

Die Einspritzachse erfordert sowohl hohe Geschwindigkeit (für schnelles Füllen dünnwandiger Teile) als auch erhebliche Kraft (für das Nachdrücken und Halten). Dies ist die anspruchsvollste Achse bei der Auswahl der Steigung, da sie beide Enden des Geschwindigkeits-/Kraftspektrums beansprucht.

Warum mittlere bis hohe Steigung:

• Muss Einspritzgeschwindigkeiten von 100–300 mm/s für dünnwandige Teile und Verpackungsanwendungen erreichen
• Muss zudem 50–200 kN Einspritzkraft für das Nachdrücken erzeugen
• Mittlere Steigungen bieten das beste Gleichgewicht zwischen beiden Anforderungen

Typische Beispiele:

• Allzweckmaschinen (100–200 T): 20–25 mm Steigung, Ø40–50 mm Spindel
• Hochgeschwindigkeitsverpackung: 32–40 mm Steigung, Ø50–63 mm Gewindespindel
• Präzision / optisch: 16–20 mm Steigung, Ø32–40 mm Gewindespindel (Priorisierung der Auflösung vor Geschwindigkeit)

Wichtige Überlegung: Bei hochgeschwindigem Einspritzvorgang ist die Steigung oft der limitierende Faktor für die maximale Einspritzgeschwindigkeit. Falls die erforderliche Geschwindigkeit das überschreitet, was eine Standardsteigung bei der maximalen Motordrehzahl liefert, ist eine Gewindespindel mit größerer Steigung erforderlich – allerdings nur, falls der Motor ausreichend Drehmoment aufbringen kann, um die Einspritzkraft bei dieser Steigung aufrechtzuerhalten.

3. Auswerferachse

Empfohlen: Mittlere Steigung (10–20 mm/Umdrehung)

Die Auswerfung erfordert eine moderate Geschwindigkeit und relativ geringe Kraft im Vergleich zur Schließkraft oder Einspritzkraft.

Warum mittlere Steigung:

• Auswurftkräfte liegen typischerweise bei 5–20 % der Schließkraft
• Geschwindigkeit ist wichtig für die Zykluszeit, jedoch nicht so kritisch wie die Einspritzgeschwindigkeit
• Fein genug für präzise Positionierung der Auswerferstifte

Typische Beispiele:

• Kleine Maschine: 10 mm Steigung, Ø20–25 mm Gewindespindel
• Mittlere Maschine: 16-mm-Steigung, Schraube mit Ø32–40 mm
• Große Maschine: 20-mm-Steigung, Schraube mit Ø40–50 mm

4. Traverse der Einspritzeinheit / Düsenanlage

Empfohlen: Mittlere bis hohe Steigung (20–32 mm/Umdrehung)

Die Düsenberührung ist eine Achse mit geringer Kraft und mittlerer Geschwindigkeit. Höhere Steigungen eignen sich hier gut, da die Kraftanforderungen minimal sind.

Warum höhere Steigung:

• Geringe Kraftanforderung bedeutet, dass mechanischer Vorteil nicht kritisch ist
• Schnellere Verfahrgeschwindigkeit verkürzt die Zykluszeit
• Eine gröbere Auflösung ist für den Düsenkontakt akzeptabel

So berechnen Sie die richtige Steigung

Der Steigungsauswahlprozess umfasst die Überprüfung sowohl der Geschwindigkeits- als auch der Kraftanforderungen im Vergleich zum verfügbaren Motor.

Schritt 1: Erforderliche lineare Geschwindigkeit bestimmen Berechnen Sie die maximale lineare Geschwindigkeit, die die Achse erreichen muss:

• Einspritzachse: Einspritzgeschwindigkeit (mm/s) × 60 = mm/min
• Spannachse: Schließgeschwindigkeit der Form (mm/s) × 60 = mm/min

Schritt 2: Erforderliche Spindeldrehzahl berechnen Drehzahl (U/min) = Erforderliche lineare Geschwindigkeit (mm/min) ÷ Steigung (mm/U)

Stellen Sie sicher, dass diese Drehzahl innerhalb der Nenndrehzahl des Motors UND innerhalb der kritischen Drehzahl und der DN-Bewertung der Spindel liegt.

Schritt 3: Erforderliches Motordrehmoment berechnen Drehmoment (Nm) = Schubkraft (N) × Steigung (m/U) ÷ (2π × Wirkungsgrad)

Der Wirkungsgrad beträgt typischerweise 0,85–0,95 bei Kugelspindeln.

Stellen Sie sicher, dass dieses Drehmoment innerhalb der kontinuierlichen und Spitzen-Drehmomentwerte des Motors liegt.

Schritt 4: Überprüfen der Positionsauflösung Minimale inkrementelle Bewegung = Steigung ÷ (Motor-Encoder-Auflösung × Übersetzungsverhältnis)

Stellen Sie sicher, dass diese feiner ist als die für die Anwendung erforderliche Positionsgenauigkeit.

Mehrgängige Schrauben: Hohe Steigung ohne Einbuße bei der Tragfähigkeit

Ein verbreitetes Missverständnis ist, dass Schrauben mit hoher Steigung eine geringere Tragfähigkeit aufweisen. Dies ist nicht zwangsläufig der Fall dank mehrgängiger Schraubenkonstruktion .

Eingängig vs. mehrgängig:

• Eingängig : Eine durchgehende Gewindegängigkeit. Steigung = Ganghöhe.
• 2-start : Zwei parallele Gewindegänge. Steigung = 2 × Steigungsteilung.
• 4-start : Vier parallele Gewindegänge. Steigung = 4 × Steigungsteilung.

Mehrgängige Gewindespindeln ermöglichen eine hohe Steigung bei gleichzeitig vernünftiger Steigungsteilung (Abstand zwischen benachbarten Gewindegängen). Das bedeutet:

• Kugeldurchmesser bleibt gleich → Tragfähigkeit bleibt gleich
• Mutengröße bleibt gleich → Austauschbarkeit bleibt gewährleistet
• Nur die Steigung ändert sich → Geschwindigkeitskapazität steigt

Beispielsweise ist eine Spindel mit Ø40 mm in folgenden Ausführungen erhältlich:

• 40-5 (Eingängig, 5 mm Steigung) — hohe Kraftübertragung, niedrige Drehzahl
• 40-10 (2-Gängig, 10-mm-Steigung) – mittlere Schubkraft, mittlere Geschwindigkeit
• 40-20 (4-Gängig, 20-mm-Steigung) – geringere Schubkraft, hohe Geschwindigkeit

Alle verwenden die gleiche Kugelgröße und weisen ähnliche dynamische Tragzahlen auf; die Ausführung mit 20-mm-Steigung liefert jedoch bei gleicher Drehzahl die vierfache lineare Geschwindigkeit.

DN-Wert: Die versteckte Einschränkung

Bei der Auswahl der Steigung für Hochgeschwindigkeitsanwendungen muss zudem der DN-Wert – das Produkt aus Schraubendurchmesser (D in mm) und Drehzahl (N in min⁻¹) – überprüft werden. Der DN-Wert gibt an, wie schnell sich die Kugeln innerhalb der Mutter bewegen; er unterliegt einer maximalen Grenze, die durch Konstruktion und Schmierung der Schraube bestimmt wird.

DN-Wert: Die versteckte Einschränkung

Bei der Auswahl der Steigung für Hochgeschwindigkeitsanwendungen muss zudem der DN-Wert – das Produkt aus Schraubendurchmesser (D in mm) und Drehzahl (N in min⁻¹) – überprüft werden. Der DN-Wert gibt an, wie schnell sich die Kugeln innerhalb der Mutter bewegen; er unterliegt einer maximalen Grenze, die durch Konstruktion und Schmierung der Schraube bestimmt wird.

Typische DN-Grenzwerte:

• Standard-Präzisionsschrauben mit Gewindehobel: ca. 70.000–100.000 DN
• Hochgeschwindigkeitsoptimierte Schrauben: ca. 120.000–160.000 DN
• Ultra-hochgeschwindigkeits-spezialausführungen: bis zu 220.000 DN

Warum dies bei der Steigungswahl wichtig ist: Wenn Sie eine lineare Geschwindigkeit von 30 m/min bei einer Steigung von 10 mm benötigen, ergibt sich eine Drehzahl von 3.000 min⁻¹. Bei einer Schraube mit Ø40 mm beträgt DN = 40 × 3.000 = 120.000 — was möglicherweise die zulässige Belastung der Schraube überschreitet.

Bei einer Steigung von 20 mm benötigen Sie für dieselbe lineare Geschwindigkeit von 30 m/min nur noch 1.500 min⁻¹. DN = 40 × 1.500 = 60.000 — deutlich innerhalb der zulässigen Grenzen.

Wichtige Erkenntnis: Schrauben mit größerer Steigung laufen bei derselben linearen Geschwindigkeit mit niedrigerer Drehzahl, wodurch der DN-Wert sinkt und die Lebensdauer verlängert wird. Dies ist ein wesentlicher Grund, warum Schrauben mit großer Steigung bei Hochgeschwindigkeits-Spritzgießanwendungen bevorzugt werden.

Häufige Fehler bei der Steigungswahl

Fehler 1: Steigung ausschließlich nach der Geschwindigkeit wählen Viele Konstrukteure dimensionieren die Steigung lediglich, um die Zielgeschwindigkeit zu erreichen, vergessen aber, die Schubkraft zu überprüfen. Das Ergebnis ist eine Maschine, die sich schnell bewegt, aber nicht ausreichend Einspritzdruck oder Schließkraft erzeugen kann. Prüfen Sie stets sowohl Geschwindigkeit als auch Kraft.

Fehler 2: Die Steigung „zur Sicherheit“ zu groß wählen Eine größere Steigung als erforderlich bedeutet:

• Geringerer mechanischer Vorteil → größerer, teurerer Motor erforderlich
• Rohere Positionsauflösung → möglicherweise nicht ausreichend für Präzisionsanforderungen
• Höhere Trägheit wird auf den Motor reflektiert → Abstimmungsschwierigkeiten

Fehler 3: Kritische Drehzahl wird ignoriert Lange Spindeln mit hohen Steigungen können bei maximaler Drehzahl oberhalb der kritischen Drehzahl laufen und dadurch gefährliche Vibrationen verursachen. Berechnen Sie die kritische Drehzahl stets für den gewählten Durchmesser, die Länge und die Lagerkonfiguration.

Fehler 4: Beschleunigung wird vergessen Achsen für Spritzgießmaschinen beschleunigen und bremsen schnell ab. Das für die Beschleunigung erforderliche Drehmoment addiert sich zum für die Schubkraft erforderlichen Drehmoment. Ist die Steigung zu fein, kann der Motor möglicherweise nicht genügend Drehmoment für eine schnelle Beschleunigung liefern, selbst wenn das Drehmoment im stationären Betrieb ausreichend ist.

Schnellreferenztabelle zur Steigungswahl

tabelle

Achse	Typischer Steigungsbereich	Schraubendurchmesser-Bereich	Priorität
Klemmen	10–20 mm/Umdrehung	ø40–100 mm	Schubkraft > Geschwindigkeit
Einspritzung (allgemein)	20–25 mm/Umdrehung	ø32–50 mm	Ausgewogene Geschwindigkeit und Kraft
Einspritzung (Hochgeschwindigkeit)	32–40 mm/Umdrehung	ø40–63 mm	Geschwindigkeit > Kraft
Spritzgießen (Präzision)	16–20 mm/Umdrehung	ø32–40 mm	Auflösung > Geschwindigkeit
Entlader	10–20 mm/Umdrehung	ø20–50 mm	Ausgeglichen
Düsenkontakt	20–32 mm/Umdrehung	ø20–32 mm	Geschwindigkeit > Kraft

Fazit

Die Steigung der Kugelgewindespindel ist ein grundlegender Parameter, der das Leistungsverhalten jeder Achse einer voll elektrischen Spritzgießmaschine bestimmt. Sie ist der Hebel, mit dem Geschwindigkeit gegen Kraft eingetauscht wird – und das richtige Gleichgewicht zu finden, ist entscheidend.

Wichtige Erkenntnisse:

• Spannachsen : Feine Steigungen für maximale Schubkraft
• Einspritzachsen : Mittlere Steigungen für ausgewogenes Verhältnis aus Geschwindigkeit und Kraft; hohe Steigungen für Dünnwand- bzw. Hochgeschwindigkeitsmaschinen
• Auswerferachsen : Mittlere Steigungen für mittlere Geschwindigkeit und Kraft
• Mehrgängige Ausführung ermöglicht eine hohe Steigung, ohne die Tragfähigkeit zu beeinträchtigen
• DN-Wert begünstigt häufig höhere Steigungen bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen (niedrigere Drehzahl = niedrigerer DN-Wert)

Durch sorgfältige Abstimmung der Steigung auf die jeweiligen Geschwindigkeits-, Kraft- und Präzisionsanforderungen jeder Achse können Maschinenbauer und Ingenieure für Nachrüstungen Leistung optimieren, Motorgröße und -kosten minimieren sowie die Lebensdauer der Kugelgewindespindel maximieren.