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Kugelgewindetriebe im Einsatz an Kunststoffspritzgießmaschinen – Lebensdauerprognose und Optimierung

Forstmann, Jochen

Bei der Auslegung von Antriebsachsen mit Kugelgewindetrieben als Getriebe zur Wandlung rotatorischer Antriebsleistung in translatorische Bewegung, ist die Prognose der Lebensdauer des Kugelgewindetriebes von elementarer Bedeutung. Aus der Literatur ist bekannt, dass die genormten Lebensdauerprognosemodelle für Anwendungen mit zyklischen Prozessen, hoher Belastung und großen Beschleunigungen, wie sie beispielsweise an den Hauptachsen von Spritzgießmaschinen in der Kunststoffverarbeitung auftreten, ungeeignet sind. Die Arbeit beschäftigt sich in einem ersten Teil mit der Analyse des bestehenden Wissens zum Kugelgewindetrieb, seinen tribologischen, insbesondere Verschleiß betreffenden Eigenschaften, den bekannten Lebensdauerprognosemodellen und dem Einsatz von Kugelgewindetrieben an Spritzgießmaschinen. Im Hauptteil der Arbeit wird ein System zur Prognose der Lebensdauer ausgearbeitet, dass hauptsächlich auf physikalischen Modellen beruht. Das Lebensdauerprognosemodell nach [DIN69051] und [ISO3408], sowie das Modell nach [Ja08] und [Hab98] werden kritisch hinterfragt, modifiziert und erweitert. Zielsetzung ist es folgende Aspekte zu berücksichtigen, die die Abbildungsgenauigkeit des Modells verbessern: - lokale Belastungshöhe bei Abrasionsverschleiß und Ermüdungsverschleiß - Orientierung der Last bei Ermüdungs- und Abrasionsverschleiß - Vorschädigungseinfluss bei Abrasionsverschleiß Das realisierte Prognosemodell ist in der Lage, die Schädigung für jeden Bereich des Kugelgewindetriebes individuell zu bestimmen, sowohl für Ermüdungs- als auch für Abrasionsverschleiß. Hier-durch sind beispielsweise Schädigungskonzentrationen auf der Spindel durch kurzhubige Bewe-gungen, die höhere Belastung der ersten Gewindegänge und die lastrichtungsabhängige Flanken-belastung im Schädigungsverhalten darstellbar. Um die lokal wirkenden Kontaktkräfte zu bestimmen, wurde eine numerische Strukturanalyse mit Hilfe der Methode der Finiten Elemente durchgeführt. Die Ergebnisse sind trotz der extremen Herausforderung durch die Kontaktbedingungen im Laufbahnkontakt plausibel und halten einer Konvergenzbetrachtung stand. Das auf [DIN69051] und [ISO3408] beruhende Modell wurde neben der Berücksichtigung oben genannter Erweiterungsziele hinsichtlich der Berechnung der Tragzahl modifiziert. Nach [DIN69051] und [ISO3408] ist ein Exponent von 0,86 vorgesehen, als dessen Basis die Anzahl der Umläufe einzusetzen ist. Die sich ergebende Zahl geht als Faktor eines Produktes in die Tragzahl ein. Unter Berücksichtigung der statistisch zu erwartenden Ausfallwahrscheinlichkeit ergibt sich der Faktor jedoch zu 0,7 [nach Lun47], dies führt zu einer kleineren Tragzahl und somit kürzeren Lebensdauer. Weiterhin wird nachgewiesen, dass die in den Normen nicht berücksichtigte ungleiche Lastverteilung die Lebensdauer verkürzt. Das Modell für Abrasionsverschleiß wurde detailliert und erweitert, so dass für jeden Kontaktpunkt die Verschleißarbeit berechnet werden kann. Aus der Verschleißarbeit lässt sich unter Verwendung eines Proportionalitätsfaktors der massenmäßige Verschleiß berechnen. Für den Proportio-nalitätsfaktor wird ein Ansatz vorgeschlagen, der die Vorschädigung im System berücksichtigt. Konkret wird hierfür die Belastung des Schmierstoffes mit abrasiv wirkenden Partikeln verwendet, wodurch die Vorschädigung des Systems direkt berücksichtigt wird. Erreicht der berechnete massenmäßige Verschleiß einen Grenzwert, so ist die prognostizierte Lebensdauer erreicht. Für die Simulationsrechnungen werden Funktionen mit angenäherten Verläufen der Prozessgrößen Kraft, Drehzahl und Position verwendet. Die gleichen Prozessgrößen werden für die Versuche auf dem umgebauten Prüfstand für Kugelgewindetriebe verwendet. Die Versuche an den Kugelgewindetrieben zeigen den Einfluss der Prozessparameter Lasthöhe und Beschleunigung. Diese führen zu einem früheren Versagen der Kugelgewindetriebe bei hoher Last und großer Beschleunigung. Wie sich bei der werkstofftechnischen Untersuchung der Prüfkörper herausgestellt hat, haben sich die Kugeln gegenseitig stark geschädigt. Diese Erkenntnis deckt sich mit den Schlussfolgerungen aus den Versuchsprotokollen, die Phasen mit deutlich erhöhtem Drehmoment zeigten, aus denen auf ein Verklemmen des Systems (Reibungserhöhung im Kugel/Kugel-Kontakt) geschlossen wurde. Das Auftreten dieses Phänomens führt dazu, dass die Ergebnisse nicht gut auf praktische Anwendungsfälle übertragbar sind. Zukünftige Versuche sollten daher mit praxisnah ausgeführten Kugelgewindetrieben der entsprechenden Baugröße durch-geführt werden. Die Eignung von Körperschall als Messgröße zur Bildung eines Kennwertes für die frühzeitige Ermittlung des Verschleißzustandes konnte nicht festgestellt werden. Ursachen hierfür sind vermutlich erstens die ausgeprägte Geräuschkulisse durch das Kugelrückführsystem, zweitens die große Anzahl an kleinen Fehlstellen, die nicht zu ausreichend ausgeprägten Anregungen der Überrollfrequenzen führen und drittens die komplexe Kinematik des Kugelgewindetriebes, die stets zu Gleitbewegungen führt, welche den Rollbewegungen überlagert sind. Hinsichtlich der Optimierung von Kugelgewindetrieben für Schwerlast-Anwendungen wurde der Einfluss der Orientierung der Mutter untersucht. Es wurde ein erheblicher Einfluss auf die Homogenität der Lastverteilung festgestellt. Beispielhaft wurde für Schwerlastanwendungen mit vorherrschender Last auf eine Flankenseite des Kugelgewindetriebes eine optimierte asymmetrische Gewindeprofilform entworfen. Anwendungsfeld für einen solchen Kugelgewindetrieb ist beispielsweise die Einspritzachse einer Spritzgießmaschine. Maßgeblicher Faktor für die gemäß allen Prognosemodellen längere Lebensdauer ist der einseitig höhere Kontaktwinkel.

For the layout design of feed drives using ball screws to convert rotational power to linear motion the prediction of the life span of the ball screw mechanism is of elementary importance. It is a well known fact that the standardized life span prediction models fail for applications with cyclic processes, high load and high accelerations. These load aspects are typical for injection molding machines. The presented work begins with an analysis of the state of knowledge of the ball screw mechanism, it´s tribological behavior and especially the wear mechanisms, the known life span prediction models and the use of ball screws as part of injection molding drive axes. In the main part of this work, a system for the prediction of the life span is elaborated. The system mainly uses physical models. The life span prediction models according to [DIN69051], [ISO3408] as well as the models according to [Ja08] and [Hab98] are scrutinized, modified and extended. The aim is to consider the following aspects and thus to improve the precision of the model: - local loading for abrasive and fatigue wear - orientation of the applied load for abrasive and fatigue wear - pre-damage for abrasive wear The established prognosis model is suitable to indicate the damage for every area of the ball screw individually. The model considers abrasive and fatigue wear. This allows the user to identify for ex-ample damage concentrations on the screw caused by short stroke cycles, by load concentrations at the first thread turns and by load direction dependent loads on the thread shoulders. To determine the local contact forces a numerical structural analysis using the finite element me-thod has been made. The results are reasonable although the challenge of the contact simulation for the ball raceway area was hard. The results bear up against a convergence analysis using refined meshes. Besides the above mentioned aspects, the model according to [DIN69051] and [ISO3408] has been modified with regard to the calculation of the load rating. [DIN69051] and [ISO3408] use the exponent 0,86 for the number of turns. The result is used as a factor of a product to calculate the load rating. Considering the probability of failure according to the statistical model used by [Lun47] this factor is 0,7. This leads to a lower load rating and thus shorter life expectancy. Furthermore it is proven that the uneven load balance in the system – which is not taken into account in the current norms – leads to shorter life. The model for abrasive wear has been detailed and extended, in a way that the wear work can be calculated for every contact point. The wear mass can be calculated from the wear work using a proportionality factor. For the factor of proportionality an approach is proposed where the pre-damage is considered. Therefore the contamination of the lubricant with wear particles is used. The end of the predicted life is determined by reaching a critical value for the calculated wear mass. For the simulation the model uses approximated functions for the process parameters force, rota-tional speed and position. The same process data is used for the experimental investigations on the test bench for ball screws. The experimental results show the importance of the process parameters load and acceleration. Higher load and higher acceleration both lead to shorter life. The analysis of the test samples has shown that the balls have damaged each other severely. This insight matches the conclusions based on the protocols of the experimental tests. The protocols showed time periods of higher ave-raged torque. This leads to the conclusion of a jam in the ball to ball contact. The found phenome-non makes it impossible to assign the experimental results to real life applications. Future experi-ments should be made with ball screw systems that show a configuration which is closer to practi-cally used systems (for example size, number of turns, ball size). The suitability of solid-borne sound as a measure to form a characteristic value for the early detec-tion of changes in the wear state could not be determined. The reasons for this are considered to be: The sound level caused by the return system. A large number of small damages that do not lead to significant excitation of the characteristic frequencies of balls passing damages. The com-plexity of the kinematics of the ball screw system where slip is always present and super positioned to the rolling of the balls. With regard to the optimization of high load ball screw systems the influence of the orientation of the threaded nut has been investigated. It was found that the orientation has a great impact on load balance in the system. For high load systems with the main loads being subjected from one direction an optimized thread profile has been developed and investigated. Such a ball screw may be used for the linear movement of the injection axis of an injection molding machine. The main improvement of the suggested thread profile is the unidirectional higher contact angle. The im-provement of life can be shown with all lifespan prediction models.

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Forstmann, Jochen: Kugelgewindetriebe im Einsatz an Kunststoffspritzgießmaschinen – Lebensdauerprognose und Optimierung. 2010.

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