DFU-Serie Kugelgewinde

I. Kernpositionierung und Benennung

Position: Eine flanschmontierte, doppelt genutete, vorgespannte Kugelgewindetriebeinheit mit hoher Steifigkeit und hoher Präzision. Es handelt sich um eine Lösung für High-End-Anwendungen, die keinen Spielraum, äußerst hohe Steifigkeit, hohe Tragfähigkeit und lange Lebensdauer erfordern.
Interpretation der Bezeichnung:

• D: Doppelte Mutter. Das Kernelement, bestehend aus zwei Muttern, die über ein Vorspannverfahren verbunden sind.
• F: Flansch. Die Mutter verfügt über einen quadratischen oder runden Flansch zur einfachen Montage und Befestigung.
• U: Steht typischerweise für „Ultra Precision“ oder eine bestimmte Hochleistungsstufe. Manchmal bezieht es sich auf eine spezielle Vorspannmethode.

Kernwert: Die vorgespannte Doppelmutternkonstruktion beseitigt axialen Spielraum aktiv und bietet eine deutlich höhere Steifigkeit und Tragfähigkeit im Vergleich zu Kugelgewindetrieben mit Einzelmutter.

II. Kernstruktur und Funktionsprinzip

Doppelmuttern-Vorspannstruktur (Kern):

• Die DFU besteht aus zwei unabhängigen Kugelmuttereinheiten. Ein Vorspanneinstellelement (z. B. Vorspannzwischenstück, Feder oder Gewindemuffe) erzeugt eine entgegengesetzte axiale Kraft zwischen ihnen.
• Arbeitsprinzip: Die Vorspannung drückt die Kugelrillen der beiden Muttern gegen gegenüberliegende Flanken der Gewindeflanken der Schraubwelle. Unabhängig davon, ob die Schraube unter Vorwärts- oder Rückwärtslast steht, sind die Kugeln einer Mutter stets belastet. Dadurch wird das axiale Spiel vollständig eliminiert (spiel- bzw. rücklaufarmes Verhalten erreicht) und die Systemsteifigkeit deutlich erhöht.

Vorspannverfahren:

• Zwischenstück-Vorspannung: Präzisionszwischenstücke unterschiedlicher Dicke werden zwischen den Muttern eingesetzt. Einfacher Aufbau, höchste Steifigkeit, fester Vorspannwert, jedoch ist die Nachjustierung umständlich.
• Feder-Vorspannung: Die Vorspannkraft wird über Tellerfedersätze aufgebracht. Kompensiert Verschleiß und thermische Ausdehnung und hält somit die Vorspannung konstant, allerdings ist die Steifigkeit etwas geringer als bei der Zwischenstück-Vorspannung.
• Gewinde-Vorspannung: Die relative Position der beiden Muttern wird über eine Gewindemuffe justiert und gesperrt. Justierbar, aber die Steifigkeit hängt von der Sperrkraft ab.

Flanschmutter:

• Verfügt über einen robusten, integrierten Flansch, der eine große Anbaufläche bietet. Sie wird mit mehreren Schrauben an der Werkbank befestigt und bietet so hervorragende Verbindungssteifigkeit und einfache Montage.

Hochpräzise Gewindespindel:

• Mittels Präzisionsschleifverfahren hergestellt, erreicht typischerweise hohe Führungsungenauigkeitsgrade wie C7, C5 oder sogar C3. Zeichnet sich durch hochwertige Werkstoffe und Wärmebehandlung aus.

III. Kerneigenschaften und Vorteile

• Spielfreiheit und ultrahohe Positionierungsgenauigkeit: Die vorgespannte Zwei-Mutter-Konstruktion eliminiert die axiale Spielweite vollständig und ermöglicht eine echte „spielfreie“ Übertragung. Dies ist entscheidend für Anwendungen mit extrem hoher Wiederholgenauigkeit, bidirektionaler Positionierung und ohne Umschlagsstoß (z. B. bei Präzisionsmessgeräten, Belichtungsmaschinen, Hochleistungswerkzeugmaschinen).
• Hervorragende axiale Steifigkeit: Die Doppelmutternkonstruktion bietet mehr als die doppelte axiale Steifigkeit eines Einfachmutter-Spindelpaares. Minimale Verformung unter hohen axialen Lasten gewährleistet Bewegungsgenauigkeit und -stabilität während schwerer Bearbeitung oder unter Hochlastbedingungen.
• Hohe Tragfähigkeit und lange Lebensdauer: Die beiden Muttern teilen sich die Last, wodurch die dynamischen und statischen Tragzahlen insgesamt erhöht werden. Die Vorspannung verbessert zudem die Lastverteilung auf den Kugeln, was zu einer längeren Lebensdauer beiträgt.
• Hervorragende Bewegungsglättung: Durch die Beseitigung von Spiel ergibt sich ein sanfter, ruckfreier Richtungswechsel und es wird das Stick-Slip-Phänomen (Kriechen) beim Betrieb mit niedriger Geschwindigkeit vermieden, was überlegene Bewegungseigenschaften liefert.

IV. Vergleich mit Einfachmutter-Kugelgewindetrieben (z. B. SFU)

V. Typische Anwendungsbereiche

DFU-Kugelgewindetriebe sind speziell für Spitzengeräte mit extremen Leistungsanforderungen konzipiert:

• Ultrapräzise CNC-Werkzeugmaschinen: Vorschubachsen für Präzisionsbearbeitungszentren, Koordinatenschleifmaschinen, Ultrapräzisionsdrehmaschinen.
• Ausrüstung für Halbleiterfertigung: Nanometer-Positionierstufen in Lithographiemaschinen, Wafer-Inspektionsgeräten, Die-Bondern.
• Präzisionsmesseinrichtungen: Kernantriebsachsen für Koordinatenmessmaschinen (CMM), Laserinterferometer, optische Messsysteme.
• Hochwertige Geräte für die additive Fertigung: Pulverauftrag- und Baucylindertreiber in industriellen metallischen 3D-Druckern.
• Ausrüstung für die Luft- und Raumfahrtfertigung: Maschinen zur Faserlegung von Verbundwerkstoffen, hochpräzise Bearbeitungszentren mit 5 Achsen.
• Präzisions-Optik und elektrooptische Geräte: Teleskop-Zielsysteme, präzise Antriebsachsen für Laser-Schneid-/Gravurmaschinen.

VI. Auswahl- und Anwendungsrichtlinien

• Notwendigkeitsbewertung: Die Lösung mit Doppelmuttern sollte nur dann in Betracht gezogen werden, wenn eine Einschraubenlösung (auch mit interner Vorspannung) die Anforderungen an Steifigkeit, Spiel oder Lebensdauer nicht erfüllen kann. Die höheren Kosten und Komplexität erfordern eine gründliche Begründung.
• Auswahl des Vorspannverfahrens:

1. Zwischenstück-Vorspannung: Geeignet für stabile Lasten, Anwendungen mit extremen Steifigkeitsanforderungen und Situationen, in denen eine Veränderung der Vorspannung unerwünscht ist (z. B. Hochleistungswerkzeugmaschinen).
2. Feder-Vorspannung: Geeignet für komplexe Bedingungen mit Verschleiß oder thermischer Ausdehnung, bei denen eine konstante Vorspannung erforderlich ist (z. B. Messgeräte mit langem Hub und hoher Präzision)

• Genauigkeitsklassen-Abstimmung: Die Gewindewelle muss mit einer Genauigkeitsklasse C7 oder höher gewählt werden, die der Zielpräzision des Systems entspricht.
• Thermisches Management des Systems: Die Vorspannung mit zwei Muttern erzeugt höhere Reibung und potenziell mehr Wärme. Bei Hochgeschwindigkeits- oder Langhubanwendungen sollten eine Kühlung der Welle (z. B. Kühlmittel durch eine hohle Welle) oder Zwangskühlmaßnahmen in Betracht gezogen werden.
• Professionelle Anlage: Eine korrekte Vorspannungseinstellung der beiden Muttern sowie eine präzise Ausrichtung der Gewindewelle mit dem Antriebsmotor und den Lagerstützen sind während der Montage entscheidend.

Die DFU (und ähnliche doppelt verklemmte) Kugelgewindetriebe stellen eine fortschrittliche Lösung in der Kugelgewindetrieb-Technologie dar, um „kein Spiel“ und „extreme Steifigkeit“ zu erreichen. Durch ihre geniale, aber komplexe Vorspannkonstruktion mit zwei Muttern wird ein Teil von Kosten und Betriebseffizienz (erhöhte Reibung) geopfert, um einen qualitativen Sprung bei der bidirektionalen Positionierungsgenauigkeit, Systemsteifigkeit und Lastkapazität zu erzielen. Sie zählen zu den leistungsfähigsten und zuverlässigsten mechanischen Kernübertragungskomponenten, die Ingenieuren für Präzisionsgeräte zur Verfügung stehen, wenn sie extrem hohe Anforderungen an die Bewegungssteuerung bewältigen müssen. Die Wahl einer DFU bedeutet, eine solide und zuverlässige Grundlage für die Spitzenleistung einer Maschine zu schaffen.