Hochpräzise Fertigung von Innengewinden in Muttern und Wellen von Planetenrollengewindetrieben
Planetenrollengewindetriebe (Planetary Roller Screws) wandeln Drehbewegungen in Linearbewegungen um und zählen zu den leistungsfähigsten Antriebselementen der modernen Fertigungstechnik. Ihre Muttern erfordern Innengewinde mit Toleranzen im einstelligen Mikrometerbereich bei Längen-Durchmesser-Verhältnissen von 7:1 bis 8:1. Diese Kombination aus extremer Präzision und ungünstiger Werkstückgeometrie stellt konventionelle Fertigungsverfahren vor erhebliche Herausforderungen. EMAG bietet für die Serienproduktion dieser Bauteile durchgängige Fertigungslösungen – vom Weichdrehen über das Hartdrehen und Schleifen der Außenkonturen bis zur finalen Innengewindebearbeitung.
Ein Planetenrollengewindetrieb besteht aus drei Kernkomponenten: der Spindel (Gewindespindel), den Rollen (Gewinderollen) und der Mutter (Gewindemutter). Die Gewinderollen sind zwischen Spindel und Mutter angeordnet und übertragen die Antriebskraft über mehrere Kontaktlinien gleichzeitig. Im Vergleich zu Kugelgewindetrieben bieten Planetenrollengewindetriebe eine deutlich höhere Tragfähigkeit bei kompakteren Baumaßen, da die Rollengeometrie eine größere Kontaktfläche erzeugt als Kugelkontakte.
Besonders relevant sind Planetenrollengewindetriebe in Anwendungen, die hohe Kräfte bei gleichzeitig kompakter Bauweise erfordern. In der Robotik – insbesondere bei humanoiden Robotern – dienen sie z.B. als zentrale Antriebselemente in den Gelenken. In der Automobilindustrie kommen sie in elektrischen Servolenkungen (EPS) und zunehmend in elektromechanischen Bremssystemen (EMB) zum Einsatz. Weitere Einsatzgebiete sind CNC-Werkzeugmaschinen, Luft- und Raumfahrtaktuatoren sowie medizintechnische Geräte.
Warum ist die Mutter das anspruchsvollste Bauteil im Planetenrollengewindetrieb?
Die Mutter eines Planetenrollengewindetriebs trägt das Innengewinde, in dem sich die Gewinderollen bewegen. Dieses Innengewinde muss mit höchster Genauigkeit gefertigt werden, um ein gleichmäßiges Laufverhalten, eine hohe Tragfähigkeit sowie eine lange Lebensdauer des Gesamtsystems sicherzustellen. Bei einem inversen (umgekehrten) Planetenrollengewindetrieb verschärfen sich diese Anforderungen zusätzlich: Das Längen-Durchmesser-Verhältnis der Mutter beträgt oft 5:1 bis 8:1 – bei einer Bauteilhärte von bis zu 60 HRC nach der Wärmebehandlung.
Ein typisches Werkstück – beispielsweise eine Mutter für Robotik-Anwendungen – hat eine Gesamtlänge von ca. 150 mm bei einem Innendurchmesser von ca. 20 mm. Die Oberflächenrauheit muss Ra 0,4 erreichen. Vor der Wärmebehandlung liegt die Materialhärte bei 26–32 HRC; nach dem Härten steigt diese auf 60 HRC, teilweise bis zu 65 HRC. Diese Kombination aus Tiefe der Bohrung, hoher Werkstückhärte und engsten Toleranzen (Rundheit ≤ 0,025 mm, Rundlauf ≤ 0,025 mm) definiert den gesamten Fertigungsprozess.
Beispiel einer kompletten Fertigungsprozesskette für Planetenrollengewindetrieb-Muttern
| Operation | Bezeichnung | Maschine | Beschreibung |
|---|---|---|---|
| OP 05 | Rohteil/ Materialeingang | - | Schmiederohling oder gesägtes Halbzeug als Ausgangsmaterial |
| OP 10 | Weichdrehen Seite 1 | VL 2 | Präzisionsdrehen der ersten Werkstückseite: Planfläche, Außendurchmesser, Vorbearbeitung der Innenbohrung |
| OP 20 | Weichdrehen Seite 2 | VL 2 | Umspannung und Bearbeitung der gegenüberliegenden Seite mit identischer Maschinentechnologie |
| OP 30 | Wärmebehandlung | - | Härten auf 60 HRC zur Erreichung der geforderten Verschleißfestigkeit |
| OP 40 | Hartdrehen + Schleifen Außendurchmesser | VTC 100 GT | Kombination aus Hartdrehen und CBN-Schleifen aller Außenkonturen in einer einzigen Aufspannung |
| OP 50 | Feinbohren Innenbohrung + Vordrehen Innengewinde | VTC 200 CD | Präzisionsbohren der Innenbohrung und Halbfertigdrehen des Innengewindes mit beidseitig geführtem Werkzeug |
| OP 60 | Schleifen des Innengewindes | SU (EMAG SU) | Fertigschleifen des Innengewindes auf finale Maße und Oberflächengüt |
Weichdrehen der Planetenrollengewindetrieb-Mutter
In den ersten beiden Bearbeitungsschritten (OP 10 und OP 20) wird das Rohteil auf zwei EMAG VL 2 Vertikaldrehmaschinen bearbeitet. Die Werkstücke werden am Außendurchmesser gespannt und über das Pick-up-System automatisch aus dem integrierten Werkstückspeicher entnommen, bearbeitet und wieder abgelegt.
Die vertikale Bauweise bietet bei tiefen Bohrungen einen entscheidenden Vorteil: Späne fallen durch die Schwerkraft nach unten aus der Bohrung heraus. Bei Innenbearbeitungen mit einem Längen-Durchmesser-Verhältnis von 7:1 sorgt dies für eine zuverlässige Späneabfuhr und hohe Prozesssicherheit; horizontale Drehmaschinen haben bei solchen Geometrien hierbei häufig mit Problemen zu kämpfen. Durch die Zufuhr von Kühlschmiermittel durch die Hauptspindel kann der positive Effekt der vertikalen Bauart zusätzlich unterstützt werden.
Bearbeitung des Außendurchmessers auf einer kombinierten Dreh-Schleif-Maschine
Nach der Wärmebehandlung (OP 30) auf 60 HRC muss die Mutter am Außendurchmesser präzise nachbearbeitet werden, um den wärmebehandlungsbedingten Verzug zu korrigieren. Gleichzeitig bilden diese Flächen auch die Ausgangslage für die nachfolgenden Bearbeitungen. In OP 40 kommt dazu die EMAG VTC 100 GT zum Einsatz – eine Vertikaldrehmaschine mit integrierter Schleifspindel, die Hartdrehen und CBN-Schleifen in einer einzigen Aufspannung vereint.
Die Maschine verfügt links über einen 8-fach-Revolver (BMT 55), der neben Drehwerkzeugen auch einen integrierten Greifer für das automatische Be- und Entladen sowie eine Messvorrichtung aufnimmt. Rechts ist eine CBN-Schleifspindel mit bis zu 30 kW Antriebsleistung angeordnet. Dieses Konzept ersetzt in der Praxis drei bis vier konventionelle Maschinen: Das Hartdrehen der Planflächen, Gewinden und Fräsen der Sechskantmerkmale übernimmt der Revolver, während die zylindrischen Außenflächen in einem Durchgang geschliffen werden.
Das Werkstück wird über einen Spanndorn in der Innenbohrung gespannt und zusätzlich durch eine Reitstockspitze abgestützt. Dadurch lässt sich auch bei langen Bauteilen eine optimale Rundheit erzielen.
Drehen der Innengewinde in Planetenrollengewindetrieb-Muttern
Die Innengewindebearbeitung ist der technologisch anspruchsvollste Schritt in der gesamten Prozesskette. In OP 50 wird die gehärtete Mutter auf der EMAG VTC 200 CD bearbeitet – einer vertikalen Drehmaschine mit Mittenantrieb, die auf der bewährten VT 4-Plattform basiert.
Was ist das Mittenantriebs-Konzept und warum ist es für lange Innengewinde entscheidend?
Bei konventionellen Drehmaschinen wird das Werkstück einseitig gespannt und das Bohr- oder Gewindewerkzeug ragt frei in die Bohrung hinein. Bei einem Längen-Durchmesser-Verhältnis von 7:1 oder mehr führt die lange Auskragung des Werkzeugs zu instabilen Bearbeitungsverhältnissen, die u.a. zu einer Abdrängung des Werkzeugs führen kann. Dadurch entstehen Vibrationen, Rattermarken und geometrische Abweichungen. Die Bearbeitungsgeschwindigkeit muss drastisch reduziert werden, um ein akzeptables Ergebnis zu erzielen – mit entsprechenden Einbußen bei der Werkzeugstandzeit und der Produktivität
Die VTC 200 CD löst dieses Problem durch einen Mittenantrieb: Anstelle einer Arbeitsspindel und eines Reitstocks übernimmt eine zentral positionierte Hohlspindel mit integrierter Spannvorrichtung das Werkstück in der Mitte. Die Bohrstange wird mit dem linken Revolver in die Werkstückbohrung eingeführt und dann durch den rechten Revolver am gegenüberliegenden Ende abgestützt. Das Werkzeug ist damit beidseitig eingespannt – vergleichbar mit dem Prinzip einer Räummaschine, bei der das Räumwerkzeug oben und unten geführt wird.
Durch diese beidseitige Werkzeugspannung wird die Abdrängung des Werkzeugs verhindert. Vibrationen lassen sich wirksam reduzieren, sodass mit Profilgewindewerkzeugen gearbeitet werden kann. Das Ergebnis ist ein präzises Halbfertiggewinde mit einem gleichmäßigen Bearbeitungsaufmaß für das nachfolgende Fertigschleifen.
Welche Rolle spielt die Späneabfuhr bei der Innenbearbeitung von Planetenrollengewindetrieben?
Die Späneabfuhr ist bei der Bearbeitung langer, tiefer Bohrungen eine der größten Herausforderungen. Lange Späne aus dem Innengewinde-Drehprozess können sich um das Werkzeug wickeln, den Bearbeitungsraum blockieren und im schlimmsten Fall das Werkstück oder Werkzeug beschädigen. Bei der Einzelteilfertigung lässt sich dieses Problem manuell lösen – in der Großserie ist das keine Option.
Die vertikale Bauweise der EMAG Maschinen nutzt die Schwerkraft zur Unterstützung der Späneabfuhr. Zusätzlich wird Kühlschmierstoff unter Hochdruck in die Bohrung geleitet. Dieser Kühlmittelstrahl transportiert die Späne zuverlässig aus der Bohrung nach unten heraus. Im Serienbetrieb zeigt sich: Der Revolver bleibt frei von Spänenestern, und der Prozess läuft störungsfrei im Dauerbetrieb.
Wie wird das Innengewinde der Mutter auf finale Maße geschliffen?
Im letzten Bearbeitungsschritt (OP 60) wird das vorgedrehte Innengewinde auf einer EMAG Schleifmaschine fertigbearbeitet. Das Schleifen entfernt das verbliebene Aufmaß und erzeugt die finale Gewindegeometrie mit der geforderten Oberflächenrauheit und Formgenauigkeit.
Das Innengewindeschleifen sichert die Prozessstabilität in der Serienfertigung. Während das Vordrehen bereits eine gute Annäherung an die finale Kontur liefert, gleicht das Schleifen verbleibende Ungleichmäßigkeiten aus und stellt sicher, dass alle Gewindesteigungen innerhalb der geforderten Toleranzen liegen. In der Praxis werden Steigungsfehler von weniger als 2 µm zwischen den einzelnen Gewindegängen erreicht.
Umfassende Lösung aus einer Hand
EMAG liefert die gesamte Prozesskette für die Bearbeitung von Planetenrollengewindetrieb-Muttern aus einer Hand – vom Weichdrehen über das Hartdrehen und Schleifen des Außendurchmessers bis zur Innengewindefertigbearbeitung.
Werkstücke
Flexspline
Flexsplines, auch als flexible Wellenräder, Flextopf oder Kragenhülse bezeichnet, bilden das Herzstück von Wellgetrieben. Diese hochpräzisen Bauteile ermöglichen sehr hohe Untersetzungsverhältnisse in…
Planetengetriebe
Planetenrollengewindetriebe
Der Planetenrollengewindetrieb ist eine hocheffiziente Antriebskomponente für humanoide Roboter und Positioniersysteme. Die Rollengewindespindel bildet das zentrale Element, dessen Fertigungsqualität…
Wave Generator
Der Wave Generator ist die Eingangs-Komponente im Wellengetriebe. Er besteht aus einem dünnwandigen Lageraufbau (Außenring elastisch, Innenring auf einer elliptischen Nocke/Kurve fixiert) und…
