Die Kugelumlaufspindel (oft auch „Führungsspindel“ genannt) „Schnecke“ einer Spritzgießmaschine Sie ist ihr Kernbestandteil und wird oft als das „Herz“ der Maschine bezeichnet. Ihre Funktionsweise ist ein komplexer Prozess, der Physik, Mechanik und Thermodynamik integriert.Vereinfacht gesagt besteht ihre Hauptaufgabe darin, feste Kunststoffgranulate zu transportieren, zu schmelzen, zu komprimieren und zu homogenisieren, um schließlich den geschmolzenen Kunststoff mit ausreichendem Druck und ausreichender Geschwindigkeit in den Formhohlraum einzuspritzen.Um die Funktionsweise besser zu verstehen, können wir den Arbeitszyklus in folgende Phasen unterteilen: Ein vollständiger Arbeitszyklus einer Kugelgewindespindel einer Spritzgießmaschine. In einem vollständigen Einspritzzyklus führt die Kugelgewindespindel im Wesentlichen zwei Aktionen aus: Rotation und axiale Bewegung. Ihr Arbeitszyklus lässt sich in drei Phasen unterteilen:1. Rotationsstufe (Plastifizierung/Dosierung)Ziel: Transport, Erhitzen, Schmelzen und Homogenisieren der festen Kunststoffgranulate im Trichter.Wirkungsweise: Die Gewindespindel dreht sich mit hoher Geschwindigkeit im Inneren des Zylinders, bewegt sich aber nicht vorwärts (in diesem Moment lässt der Einspritzzylinder am hinteren Ende der Gewindespindel den Druck ab, wodurch sich die Gewindespindel aufgrund der Reaktionskraft des Kunststoffs während der Rotation zurückzieht).Betriebsablauf:Zuführung und Förderung: Kunststoffgranulat fällt aus dem Trichter in den Behälter. Die Rotation der Schnecke, ähnlich einer Schraube in einer Mutter, nutzt die geneigte Ebene des Gewindes, um das Kunststoffgranulat kontinuierlich vorwärts zu befördern.Kompression und Schmelzen: Die Schneckenstruktur ist von hinten nach vorn in drei Abschnitte unterteilt: den Zuführabschnitt, den Kompressionsabschnitt und den Dosierabschnitt.Zuführbereich: Die Gewindetiefe ist relativ groß und dient hauptsächlich der stabilen Förderung von festen Granulaten.Kompressionsbereich: Die Gewindetiefe nimmt allmählich ab. Hier wird der Kunststoff stark komprimiert und geschert, während die Heizspirale außerhalb des Zylinders ihn zusätzlich erwärmt. Unter der kombinierten Wirkung von Scherwärme und externer Erwärmung schmilzt der feste Kunststoff rasch und wird zähflüssig. Tatsächlich stammen über 80 % der Schmelzwärme aus der durch die Schneckenrotation erzeugten Scherwärme.Dosierbereich: Die Gewindetiefe ist hier am geringsten. Ihre Hauptfunktion besteht darin, die Temperatur und Zusammensetzung der Schmelze weiter zu homogenisieren und so die gleichmäßige Qualität der am vorderen Ende gespeicherten Schmelze zu gewährleisten.Ergebnis: Gleichmäßig geschmolzener Kunststoff wird zur Vorderseite der Schnecke (an der Düse) gedrückt, und der aufgebaute Druck (Gegendruck) drückt die gesamte Schnecke zurück, wodurch eine feste Menge geschmolzenen Materials für die nächste Einspritzung zurückgehalten wird.2. Phase der axialen Bewegung (Einspritz-/Haltedruck)Ziel: Das im vorherigen Schritt zurückgehaltene geschmolzene Plastik mit hoher Geschwindigkeit und hohem Druck in den Formhohlraum einzuspritzen.Wirkungsweise: Die Schraube hört auf, sich zu drehen, und bewegt sich unter dem starken Schub des Einspritzzylinders mit hoher Geschwindigkeit als Kolben vorwärts.Betriebsablauf:Einspritzen: Die Schnecke bewegt sich mit extrem hoher Geschwindigkeit vorwärts und spritzt das im vorderen Bereich befindliche, geschmolzene Plastik durch Düse, Angusskanal und Anschnitt in den geschlossenen Formhohlraum. Dieser Vorgang muss in kürzester Zeit abgeschlossen sein, um sicherzustellen, dass das geschmolzene Material jeden Winkel des Formhohlraums gleichzeitig ausfüllt.Nachdruck: Kurz vor der Füllung des Formhohlraums verringert sich die Einspritzgeschwindigkeit und geht in eine Hochdruck-Nachdruckphase über. Die Schnecke bewegt sich weiterhin langsam vorwärts und füllt mit extrem hohem Druck das durch Abkühlung und Schrumpfung des Kunststoffs entstandene Volumen wieder auf. Dadurch werden Fehler wie Schrumpfungsstellen und Materialmangel im Produkt vermieden.3. Neustart (Vorbereitung auf den nächsten Zyklus)Ziel: Die Schmelze für den nächsten Spritzgießzyklus vorbereiten.Ablauf: Nach Erreichen des Haltedrucks stoppt die Schnecke ihre axiale Bewegung und beginnt sich erneut zu drehen (Rückkehr zur ersten Stufe) für die nächste Plastifizierung und Dosierung. Dabei öffnet sich die Form, wirft das Produkt aus und schließt sich wieder, um für die nächste Einspritzung bereit zu sein.Wichtigste Konstruktionsmerkmale der KugelumlaufspindelUm die oben genannten komplexen Aufgaben zu bewältigen, ist die Kugelumlaufspindel selbst mit großer Präzision konstruiert:Längen-Durchmesser-Verhältnis (L/D): Das Verhältnis der Länge der Kugelumlaufspindel zu ihrem Durchmesser. Ein größeres L/D-Verhältnis führt zu einer besseren Plastifizierung und einer gleichmäßigeren Temperaturverteilung. Übliche Verhältnisse liegen zwischen 18:1 und 25:1.Kompressionsverhältnis: Das Verhältnis des Volumens der ersten Gewindenut im Zuführbereich zum Volumen der letzten Gewindenut im Dosierbereich. Es bestimmt den Grad der Kunststoffkompression und ist entscheidend für die Schmelzeffizienz. Unterschiedliche Kunststoffe erfordern unterschiedliche Kompressionsverhältnisse.Dreistufiges Design: Wie bereits erwähnt, erfüllen die Zuführsektion, die Kompressionssektion und die Dosiersektion jeweils ihre eigenen Funktionen und bilden so die Grundlage für den effizienten Betrieb der Gewindespindel.Zusammenfassend lässt sich die Funktionsweise einer Spritzgießmaschinenschnecke wie folgt veranschaulichen:Es ist wie ein „Fleischwolf“: Während es sich dreht, zerkleinert, mischt und transportiert es Materialien.Es ist wie ein „Kolben“ oder eine „Spritze“: Beim Vorwärtsbewegen wird die verarbeitete „Flüssigkeit“ unter hohem Druck eingespritzt.Es ist außerdem ein „Wärmeerzeuger“: Durch seine eigene Rotationsscherung erzeugt es den größten Teil der Wärme, die zum Schmelzen des Kunststoffs benötigt wird.Diese ausgeklügelte Kombination aus Rotationsplastifizierung und axialer Einspritzung ermöglicht es der Spritzgießmaschinenschnecke, den Umwandlungsprozess von festen Granulaten zu präzisen Kunststoffprodukten effizient und genau durchzuführen.

In der industriellen Automatisierung und bei Präzisionsmaschinen bilden Trapezgewindespindeln den Kern des Übertragungsmechanismus für die Umwandlung von Dreh- in Linearbewegungen und beeinflussen somit maßgeblich die Genauigkeit und Stabilität der Anlagen. Häufig kommt es jedoch aufgrund mangelnden Verständnisses der Funktionsprinzipien und falscher Auswahl zu geringerer Anlageneffizienz und verkürzter Lebensdauer. Dieser Artikel erläutert das Funktionsprinzip von Trapezgewindespindeln und bietet eine praktische Auswahlhilfe.I. Produktbewegungsprinzip und zugehörige Parameter1. Bewegungsprinzip: Die trapezförmige Gewindespindel wandelt durch das Ineinandergreifen von Spindel und Mutter eine Drehbewegung in eine lineare Bewegung um und überträgt dabei gleichzeitig Energie und Leistung. II. Produktmerkmale1. Einfache Struktur, bequeme Verarbeitung und Bedienung sowie wirtschaftliche Kosten;2. Die Selbsthemmungsfunktion wird erreicht, wenn der Gewindesteigungswinkel kleiner als der Reibungswinkel ist;3. Reibungsloser und stabiler Übertragungsprozess;4. Relativ hoher Reibungswiderstand, mit einem Übertragungswirkungsgrad im Bereich von 0,3 bis 0,7. Im Selbsthemmungsmodus liegt der Wirkungsgrad unter 0,4;5. Besitzt eine gewisse Stoß- und Vibrationsfestigkeit;6. Die Gesamttragfähigkeit ist höher als die von gewöhnlichen Wälzspindeln. III. Auswahl- und VerifizierungsberechnungenBei Schrauben zur allgemeinen Kraftübertragung sind die Hauptausfallarten Verschleiß der Gewindeoberfläche, Bruch unter Zugspannung, Abscheren sowie Abscheren oder Biegen am Gewindegrund. Daher werden die Hauptabmessungen des Schraubenantriebs bei der Konstruktion primär auf Basis von Verschleißfestigkeits- und Festigkeitsberechnungen bestimmt.Bei Gewindespindeln ist die häufigste Ausfallursache übermäßiges Spiel aufgrund von Verschleiß oder Verformung, was zu einer verringerten Bewegungsgenauigkeit führt. Daher sollten die Hauptabmessungen des Spindelantriebs bereits bei der Konstruktion anhand der Gewindeverschleißfestigkeit und der Spindelsteifigkeit berechnet werden. Wird die Gewindespindel zusätzlich einer hohen axialen Belastung ausgesetzt, muss ihre Festigkeit gesondert berechnet werden.Lange Schrauben (Schlankheitsgrad über 40), die nicht manuell verstellbar sind, können seitliche Vibrationen verursachen; daher muss ihre kritische Drehzahl überprüft werden.IV. Vorsichtsmaßnahmen bei der Anwendung1. Lastüberlegungen: Zusätzliche Radiallasten sollten möglichst vermieden werden, da solche Lasten leicht zu Funktionsstörungen der Schraube, erhöhtem Verschleiß und Blockierungen führen können.2. Anforderungen an die Staubvermeidung: Es muss verhindert werden, dass Fremdkörper in das Gewinde gelangen. Falls unter Betriebsbedingungen leicht Verunreinigungen wie Eisenspäne, Zinnschlacke und Aluminiumspäne entstehen, sollte eine Schutzabdeckung installiert werden, um zu verhindern, dass Fremdkörper in das Gewinde gelangen und dadurch übermäßigen Verschleiß oder Blockierungen verursachen.3. Anforderung an das Schlankheitsverhältnis: Überschreitet das Schlankheitsverhältnis einen bestimmten Bereich (60 oder höher), verbiegt sich die Spindel aufgrund ihres Eigengewichts, was zu einer radialen, außermittigen Belastung der Mutter führt. Abhängig von der tatsächlichen Drehzahl und dem Drehmoment kann dies zu abnormalem Verschleiß, Blockieren, Verbiegen der Spindelenden oder sogar zum Bruch führen. Um dieses Problem zu beheben, kann eine Rundlaufsicherung in der Spindelmitte installiert werden.4. Bei der Montage ist auf die Koaxialität und die Nivellierungskalibrierung der Feststützmontage zu achten; bei der einseitig freitragenden Kragarmkonstruktion ist auf die Einhaltung der Schaftendtoleranzen sowie auf die Verriegelung und Verstärkung des Kopfes zu achten.5. Bei der Montage einer Trapezgewindespindel muss der Rundlauf geprüft werden. Steht kein geeignetes Messgerät zur Verfügung, kann die Spindel vor der Montage des Antriebsteils ein- oder mehrmals von Hand über ihre gesamte Länge gedreht werden. Ist die zum Drehen des Außendurchmessers der Spindel erforderliche Kraft ungleichmäßig und treten Verschleißspuren auf, deutet dies auf eine fehlerhafte Ausrichtung von Gewindespindel, Mutterhalterung und Führungsschiene hin. In diesem Fall sind zunächst die entsprechenden Befestigungsschrauben zu lösen und die Gewindespindel anschließend einmal von Hand zu drehen. Ist die erforderliche Kraft nun gleichmäßig, können die entsprechenden Komponenten neu kalibriert werden. Bleibt die Kraft ungleichmäßig, müssen die Befestigungsschrauben erneut gelöst werden, um die Position des Kalibrierungsfehlers zu ermitteln.

Die Fähigkeit von eine Werkzeugmaschinen-Leitspindel Ein effizienter und störungsfreier Betrieb rund um die Uhr ist primär auf das Zusammenwirken dreier Faktoren zurückzuführen: geeignete Konstruktion und Auswahl, ordnungsgemäße Schmierung und Wartung sowie eine angemessene Kontrolle der Betriebsbedingungen. Dies lässt sich im Einzelnen in folgende Schlüsselaspekte unterteilen:1. Hochpräziser Strukturentwurf und FertigungsprozessPassgenauigkeit des Getriebepaares: Kugelgewindetriebe Als Wälzkörper werden Stahlkugeln verwendet. Im Vergleich zum Flächenkontakt von Gleitspindeln handelt es sich hierbei um einen Punktkontakt, was zu einem extrem niedrigen Reibungskoeffizienten führt (nur 1/10 bis 1/3 des Wertes von Gleitspindeln). Dies bewirkt einen geringen Reibungswiderstand und eine geringere Wärmeentwicklung im Betrieb, wodurch ein Blockieren durch Überhitzung verhindert wird.Vorspannverfahren beseitigt Spiel: Eine Vorspannkonstruktion mit zwei Muttern (z. B. Unterlegscheiben-, variable Steigungs- oder Gewindetyp) beseitigt axiales Spiel zwischen den Gewindespindel und MutterDadurch wird die Übertragungsgenauigkeit gewährleistet und axiale Bewegungen sowie Blockierungen bei Hochgeschwindigkeitsbetrieb verhindert.Hochwertige Materialien und Wärmebehandlung: Gewindespindeln und Muttern werden typischerweise aus hochkohlenstoffhaltigem Stahl gefertigt. (wie z. B. GCr15) oder legierter Baustahl, der durch Härten, Anlassen und Schleifen behandelt wurde, um eine Oberfläche zu erzielen Härte von HRC58~62. Dies führt zu einer hohen Verschleißfestigkeit, wodurch Verschleiß und Verformungen während des Langzeitbetriebs verhindert und eine gleichbleibende Passgenauigkeit gewährleistet wird.2. Stabiles und zuverlässiges Schmier- und DichtungssystemKontinuierliche und effiziente Schmierung:** Ausgestattet mit einem automatischen Schmiersystem (z. B. einer Fettpumpe oder einer Ölnebelschmieranlage) wird die Laufbahn der Leitspindel in regelmäßigen Abständen mit Spezialfett oder -öl versorgt. Dadurch bildet sich ein Ölfilm, der die direkte Reibung zwischen den Stahlkugeln und der Laufbahn reduziert und somit Verschleiß und Wärmeentwicklung verringert. Werkzeugmaschinen, die 24 Stunden am Tag in Betrieb sind, verfügen in der Regel über eine intermittierende automatische Schmierung, um unzureichende Schmierung oder Fettalterung zu verhindern.Hervorragender Dichtungsschutz:** Beide Enden der Gewindespindel sind mit staubdichten Dichtungen, Abstreifplatten und weiteren Komponenten ausgestattet, um das Eindringen von Kühlschmierstoffen, Metallspänen und Staub in die Gewindelaufbahn zu verhindern. Verunreinigungen in der Gewindelaufbahn sind eine häufige Ursache für das Blockieren der Gewindespindel; das Dichtungssystem isoliert Verunreinigungen effektiv und hält die Gewindelaufbahn sauber.3. Angemessene Betriebsparameter und LaststeuerungLast- und Drehzahlabstimmung: Bei der Auswahl werden die dynamischen und statischen Nennlasten der Gewindespindel anhand der tatsächlichen Belastung der Werkzeugmaschine (Schnittkraft, Tischgewicht) ermittelt. So wird sichergestellt, dass die Last im 24-Stunden-Betrieb den Nennwert nicht überschreitet und dadurch Verformungen der Kugellager und ein Verbiegen der Gewindespindel durch Überlastung vermieden werden. Gleichzeitig wird die Drehzahl unterhalb der kritischen Drehzahl der Gewindespindel gehalten, um Resonanzen und Vibrationen bei hohen Drehzahlen zu verhindern.Temperaturregelung: Die Werkzeugmaschine ist mit einem Kühlsystem zur Regelung der Betriebstemperatur von Leitspindel und Spindel ausgestattet. Eine Erwärmung der Leitspindel kann zu thermischer Verformung und damit zu Steigungsänderungen oder sogar zum Blockieren führen. Das Kühlsystem minimiert Temperaturschwankungen und gewährleistet so die Stabilität des Antriebsstrangs.4. Präzise Abstimmung von Antriebs- und SteuerungssystemenStarre Verbindung zwischen Servomotor und Gewindespindel: Kupplungen (wie Membrankupplungen und Lamellenkupplungen) werden verwendet, um eine spaltfreie Verbindung zwischen dem Motor und der Gewindespindel herzustellen. Dies gewährleistet eine gleichmäßige Kraftübertragung und vermeidet Übertragungsrucke, die durch lose Verbindungen verursacht werden.Präzise Justierung des CNC-Systems: Durch ein Regelungssystem mit geschlossenem oder halbgeschlossenem Regelkreis werden Position und Drehzahl der Gewindespindel in Echtzeit überwacht und das Motordrehmoment dynamisch angepasst, um die elastische und die thermische Verformung der Gewindespindel auszugleichen. Dadurch wird eine gleichmäßige Drehzahl und ein stoßfreier Betrieb gewährleistet.Ergänzung: Die entscheidende Rolle der routinemäßigen Wartung: Selbst bei optimaler Konstruktion und geeigneten Betriebsbedingungen ist regelmäßige Wartung für einen unterbrechungsfreien 24/7-Betrieb unerlässlich. Beispielsweise können die regelmäßige Reinigung der Dichtungen, die Überprüfung des Schmierfettzustands, die Feststellung von Rundlauf und Spiel der Leitspindel sowie der rechtzeitige Austausch von altem Fett und verschlissenen Kugeln die stabile Betriebsdauer der Leitspindel wirksam verlängern.