Zhafir nutzt Kugelgewindetriebe als wichtige Konstruktionselemente

Vollelektrisch auf die Kugel

Vollelektrische Spritzgießmaschinen liegen im Trend. Alle etablierten Anbieter bieten attraktive Konzepte, um verschiedene Vorteile, vor allem die günstige Energiebilanz, Präzision und Sauberkeit, nutzen zu können. Rein auf elektrische Maschinen setzt "Newcomer" Zhafir, europäische Tochter der chinesischen Haitian-Gruppe. Ein Konstruktionsdetail, den Kugelgewindetrieb als Schnittstelle zwischen Servoantrieb und mechanische Bewegung, beleuchtet dieser Beitrag detailliert.

Leistungsbestimmende Details wie die Antriebselemente liegen auch bei der vollelektrischen Mercury-Baureihe im Verborgenen.

Vollelektrische Antriebe bieten hohe Genauigkeit und Effizienz und haben damit in vielen Anwendungen deutliche Vorteile gegenüber Hydraulikantrieben. Die Mercury-Baureihe, die laut Haitian am Standort Ebermannsdorf bei Nürnberg von Grund auf neu entwickelt wurde, setzt als zentrale Antriebseinheiten umrichtergesteuerte Servoantriebe ein, die ihre Kräfte auf Kugelgewindetriebe übertragen. Obwohl die Fertigungstiefe von Zhafir nach Unternehmensangaben hoch ist und innerhalb der Haitian Gruppe ausreichend Ressourcen für die Entwicklung und Produktion anspruchsvoller Komponenten vorhanden sind, hat das Entwicklungsteam frühzeitig die Kooperation mit NSK gesucht, um die zentralen Antriebe - vor allem die vollelektrischen Antriebe der Schließeinheiten - auszulegen.

Das habe vor allem zwei Gründe: Zum einen habe dieser Zulieferer einen hohen Qualitätsanspruch - das decke sich mit den Zielen, die Zhafir mit der Mercury-Baureihe verfolge. Der zweite Grund ist die Tatsache, dass NSK als einziger Anbieter die Linear- und Rotativlagerung für die Schließeinheiten anbieten kann - und dass die Produkte für beide Lagerungsaufgaben besonders leistungsfähig und langlebig sind erklärt Hans Rabe, Mitglied des Entwicklungsteams der Zhafir.

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Schwere Lasten und hohe Dynamik

Als Linearantrieb für die Schließeinheit, die Schließkräfte bis 4000 Kilonewton erreicht, dienen Kugelgewindetriebe der Serie HTF-SRC, speziell entwickelt für Servoantriebe, die hohe Anforderungen an die Effizienz und Präzision erfüllen müssen. Zu den wichtigen Merkmalen gehört die besondere Bauform der Mutter, die anhand detaillierter Berechnungsmodelle und Simulationsberechnungen erarbeitet wurde. Hierbei standen die Beurteilung der einzelnen Kugelbelastungen und die Deformation aller im Eingriff befindlichen Bauteile im Vordergrund. Ein weiteres zentrales Merkmal der gesamten Serie ist die patentierte Kugelführung, die auch unter ungünstigen Umgebungsbedingungen den direkten Kugel-Kugel-Kontakt verhindert. Dieses Konstruktionsmerkmal unterbindet vorzeitigen Verschleiß durch Moment- oder Radialbelastungen, die auf die Mutter wirken. Gleichzeitig führt die S1-Technologie - so heißt das Kugeldistanzsystem - zu einer deutlichen Reduzierung der Geräuschemission.

Neu entwickelte Formteile in der Kugelrückführung sorgen für eine höhere dynamische Kapazität. Die Formteile reduzieren durch tangentiales Abgreifen der Wälzkörper die Irritationen des Kugelübergangs aus dem Tragbereich in den Rückführungskanal. Diese Neuentwicklung von NSK steigert den für Kugelgewindetrieb charakteristischen Kennwert dn (mittlerer Spindeldurchmesser x Drehzahl) auf 160.000, was beispielsweise bei der Type HTF-SRC 63x25 (Durchmesser x Steigung) der maximalen Verfahrgeschwindigkeit von 930 mm/s entspricht. Spitzengeschwindigkeiten von 1600 mm/s können mit der Type HTF-SRD in der Abmessung 50x40 realisiert werden. Damit hat die Mercury-Baureihe ausreichend Reserven für weitere Leistungssteigerungen. Zurzeit erreichen die Linearantriebe in den Maschinen Geschwindigkeiten bis 500 mm/s bei einer Beschleunigung von 10 g.

Die von Zhafir eingesetzten Kugelgewindetriebe sind mit dem ebenfalls neuen A1-Dichtungskonzept ausgestattet, das den Schmiermittelaustrag aus der Mutter signifikant verringert. Das vermindert das Risiko von Produktverunreinigungen und schafft die Voraussetzung für den Einsatz der Mercury-Maschinen in Reinräumen. Neben den offenkundigen Qualitäts- und Umweltaspekten bietet diese Dichtungskonzept auch ökonomischen Nutzen, denn ein geringerer Austrag vermindert den Schmiermittelverbrauch. Darüber hinaus verringern sich die Betriebskosten über die Verlängerung der nötigen Wartungs- und Schmierintervalle. Zudem kann das gute Fettrückhaltevermögen der Dichtung einer Mangelschmierung entgegen wirken.

Für die Lagerung: Hochbelastbare Schrägkugellager

An die Lagerung der translatorischen Antriebe werden ebenso hohe Anforderungen gestellt wie an die Kugelgewindetriebe selbst. NSK hat für diese anspruchsvolle Aufgabe die Schrägkugellager der Reihen TAC und TAC-HR entwickelt. Sie sind mit extra großen Kugeln ausgerüstet, die die Kontaktfläche vergrößern und hohe axiale Lasten aufnehmen können. Dank dieses Konstruktionsmerkmals verbinden sie geringe Reibung und hohe Tragzahlen und erreichen im Vergleich zu konventionellen Schrägkugellagern eine rund fünfmal höhere Lebensdauer. Zhafir setzt die Baureihe TAC-HR ein und bezieht damit die Linearachse einschließlich Lagerung aus einer Hand.

Als Antrieb wird ein hochdynamischer Servomotor verwendet; beim Abbremsen speist das Antriebssystem über den Umrichter elektrische Energie zurück. Auch das trägt - ebenso wie die reibungsarmen Kugelgewindetriebe und Schrägkugellager - zur hohen Energieeffizienz der Mercury-Baureihe bei.

Nach mehr als zweijähriger Entwicklungsphase und umfassenden Praxistests bei Pilot-Anwendungen bietet Zhafir die Mercury-Baureihe nun als Serienmaschinen mit Schließkräften von 500, 1000 und 1500 Kilonewton an und stößt damit auf großes Interesse im Markt. Neben der Energieeffizienz schätzen die Anwender auch die Möglichkeit, dank der hochdynamischen und sehr präzisen Antriebe neue Werkstoffe zu verarbeiten und mit hoher Produktivität Kunststoff-Bauteile in hoher Maßgenauigkeit zu fertigen.

Der Newcomer

Zhafir wurde erst im Jahr 2006 gegründet und muss sich gegen eine ganze Reihe weltweit erfolgreiche, etablierte Unternehmen behaupten. Das Unternehmen ist die europäische Tochtergesellschaft der chinesischen Haitian-Gruppe, die nach eigenen Angaben mit einer Jahresproduktion von rund 27.000 Maschinen (im Jahr 2011) der weltgrößte Hersteller von Kunststoff-Spritzgießmaschinen ist.

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