Lernfeld 6 · Prüfung Teil 1

Führungen, Spindeln und Lager

Führungen, Spindeln und Lager von Werkzeugmaschinen: Kugelgewindetrieb, Wälz- und Gleitführung, Spindellager, Wärmedehnung, Messsysteme.

13 Aufgaben dazu übenKostenlos, ohne Anmeldung, mit Lösungsweg

Darum geht es

Die Vorschubachsen einer CNC-Maschine bestehen aus Servomotor, Kupplung oder Zahnriemen, Kugelgewindetrieb, Führungen und Messsystem. Der Kugelgewindetrieb hat einen hohen Wirkungsgrad und arbeitet mit vorgespannter Mutter spielfrei, ist aber nicht selbsthemmend; senkrechte Achsen brauchen eine Bremse. Profilschienen-Wälzführungen laufen leicht und schnell, Gleitführungen dämpfen besser, neigen aber bei langsamen Vorschüben zum Ruckgleiten. Abstreifer und Abdeckungen halten Späne fern und werden bei der Inspektion geprüft.

Die Arbeitsspindel läuft meist in vorgespannten Schrägkugellagern, paarweise in O-Anordnung. Vorspannung macht die Lagerung steif, zu viel davon erhöht Temperatur und Verschleiß. Die nominelle Lebensdauer eines Wälzlagers hängt vom Verhältnis Tragzahl zu Last ab, bei Kugellagern in der dritten Potenz. Werkzeuge sitzen in Steilkegel- oder Hohlschaftkegelaufnahmen; der HSK liegt mit Kegel und Plananlage an und eignet sich für hohe Drehzahlen.

Wärme ist ein großer Feind der Genauigkeit. Eine Gewindespindel aus Stahl wird je Meter und Kelvin rund 11,5 µm länger. Darum gibt es Warmlaufprogramme, Kühlungen und direkte Wegmesssysteme mit Glasmaßstab, die die tatsächliche Schlittenposition messen. Indirekte Systeme messen über einen Drehgeber am Motor und erfassen Steigungsfehler und Wärmedehnung der Spindel nicht. Spiel im Antriebsstrang zeigt sich als Umkehrspanne.

Das solltest du dir merken

Kugelgewindetriebe sind spielfrei vorgespannt, aber nicht selbsthemmend.
Stahl dehnt sich um etwa 11,5 µm je Meter und Kelvin.
Doppelte Last bedeutet bei Kugellagern ein Achtel der Lebensdauer.
Der Glasmaßstab misst direkt am Schlitten, der Drehgeber indirekt am Motor.
Abstreifer schützen Führungen; beschädigte sofort tauschen.

Formeln

Vorschubgeschwindigkeit am Kugelgewindetrieb: $v = P \cdot \frac{n _{M}}{i}$; $P$ Steigung in mm, $n_{M}$ Motordrehzahl in 1/min, $i$ Übersetzung zwischen Motor und Spindel
Nominelle Lebensdauer: $L_{10} = (\frac{C}{P})^{p} L_{10 h} = \frac{L _{10} \cdot 1 0 ^{6}}{60 \cdot n}$; $C$ dynamische Tragzahl, $P$ äquivalente Last, $p = 3$ für Kugellager, $L_{10}$ in Millionen Umdrehungen
Längenänderung durch Wärme: $Δ l = l_{0} \cdot α \cdot Δ T$; $l_{0}$ Ausgangslänge, $α$ Längenausdehnungskoeffizient, für Stahl etwa $11, 5 \cdot 1 0^{- 6}$ 1/K

Typische Fehler in der Prüfung

Bei der Lebensdauer den Faktor 60 für die Umrechnung von Minuten in Stunden vergessen.
Kugelgewindetriebe für selbsthemmend gehalten.
Die Wärmedehnung in mm statt in µm angegeben und dabei um den Faktor 1000 verrechnet.
Die Umkehrspanne der Arbeitsspindel statt dem Vorschubantrieb zugeschrieben.

Tipps aus der Werkstatt

Faustwert für die Wärmedehnung von Stahl: 11,5 µm je Meter und Kelvin. Eine 800-mm-Spindel, die 8 K wärmer wird, wächst also um rund 74 µm. Darum vor engen Toleranzen die Maschine warmlaufen lassen und das erste Teil messen.

Sitzt das Thema? Teste dich mit echten Prüfungsfragen.

13 Aufgaben zu „Führungen, Spindeln und Lager“, falsche Antworten kommen in der Runde noch einmal.

Jetzt üben

Grundlage: KMK-Rahmenlehrplan Zerspanungsmechaniker/-in, Lernfeld 6 (Warten und Inspizieren von Werkzeugmaschinen). Eigene Erklärung, keine Originalaufgaben der Prüfungsausschüsse.