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Innovative Spindeltechnologie

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Innovative Spindeltechnologie

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Rationelle Produktionswege stehen von jeher im Mittelpunkt. Die Aussage von Professor Schlesinger (1911) hat auch heute nichts an Aussagekraft verloren: „Auf der Schneide des Stahls sitzen die Dividenden, die Schnelligkeit dieses Stahls ist aber eine Funktion der ihn bewegenden Maschine.“

Autor: Uwe Speetzen, Geschäftsführer der Makino GmbH, Geschäftsfeld Produktionsmaschinen, Hamburg

Makino als Werkzeugmaschinenhersteller sieht die Entwicklung der Fertigungsprozesse als eine wesentliche Kernkompetenz, und somit ist die Entwicklung der eigenen Spindeltechnologie und auch der Bewegungssteuerung ein logischer, konsequenter Schritt.
Seit Ende der achtziger Jahre hat Makino die Motorspindel-Technologie in die Standard-Bearbeitungszentren zum Einsatz gebracht. Wesentliche Patente, wie die Spindelkernkühlung und die Fliehkraft-Schmierung über den Lager-Innenring, generieren den besonderen Zusatznutzen für den Kunden. Makino fokussiert sich im Wesentlichen auf drei Haupteinsatzgebiete, diese sind: Produktion, Formenbau und Luftfahrt. Für diese Einsatzgebiete sind unterschiedliche Spindeltechnologien entwickelt worden. Im Nachfolgenden wird das Makino-Spindelsystem näher in den unterschiedlichen Ausführungen erläutert und mit zwei Praxis-Anwendungen untermauert. Im Rahmen der Praxis-Anwendungen wird auf die Überwachung der Hauptspindel über ein Spindel-Monitoring bzw. Spindle-Anti-Damage-System kurz hingewiesen.
Aufbau des Spindelsystems
Als Motorprinzip wird der bürstenlose Drehstrom-Asynchronmotor eingesetzt. Die Lagerung der Hauptspindel wird bei den Hochleistungsspindeln durch ein Festlagerpaket mit Schrägkugellager (Keramik-Hybrid) und einem Loslager, entweder ebenfalls mit Schrägkugellager oder Zylinderrollenlager, gebildet.
Das Spindelsystem wird durch ein patentiertes, geführtes Kühlsystem im Spindelkern, der Lagerhülse und im Motorstator, temperaturstabil gehalten. Eine Fliehkraft-Schmierung über den Lager-Innenring schafft optimale Schmierbedingungen. Eine hohe Fertigungskompetenz führt zu höchster Präzision (Schwingstärke u003C 1 mm/s). Der Einsatz von Keramik als Wälzkörper und neuer Walzlagerstahl ermöglichen in Verbindung mit der Kühltechnik hohe konstante Lagervorspannungen bei gleichzeitig hoher Lagerlebensdauer (u003E 20 000 Stunden).
Die Anwendung der HSK-Schnittstelle und deren Optimierung in Rundlauf und Vorspannung erhöhen die Gebrauchseigenschaften der Spindel. Durch die Kernkühlung der Spindel wird ebenfalls die Temperatur an der Werkzeugschnittstelle positiv beeinflusst. Über ein Warmlauf-Programm wird in kürzester Zeit die Beharrung der Spindeltemperatur erreicht.
Wegen des geringen Temperaturniveaus der Spindel wird die Temperaturstabilität des Systems deutlich erhöht, das heißt, die Drehzahlabhängigkeit des Temperaturverhaltens fast eliminiert. Dieses wirkt sich in der Anwendung im Werkzeug- und Formenbau sehr positiv aus. Die Wirksamkeit der Spindelkernkühlung lässt sich am nachfolgenden Einsatzbeispiel in der Luftfahrtindustrie am besten aufzeigen.
HSC/HPC für Aluminium- Strukturbauteile
Für ein 5-Achs-Hochleistungs-Bearbeitungszentrum kommt ein Gabelkopf zur Anwendung, der sehr kompakt und steif sein muss. Die eingesetzte Motorspindel muss somit diese Voraussetzungen schaffen. Die Spindeltechnologie ist das herausragendste Merkmal der Maschine. Zylinderrollenlager mit einem Innendurchmesser von 75 mm verleihen der Spindel eine sehr hohe radiale Steifigkeit. Die installierte Antriebsleistung von 80 kW kann auch mit auskragenden Werkzeugen in Späne umgesetzt werden. Mit einer Drehzahl von 33 000 Umdrehungen pro Minute ist Hochgeschwindigkeitsbearbeitung praktizierbar. Für die Umsetzung dieser Lagerkonstruktion ist die Anwendung der patentierten Makino-Kühltechnik erforderlich. Das geregelte Kühlsystem stabilisiert die Temperatur im Spindelkern, in der Lagerhülse und im Motorstator. Die Schmierung erfolgt über eine Öl-/Luftschmierung. Eine HSK-F63-Schnittstelle (alternativ HSK-F80) gewährleistet als Werkzeugaufnahme die hohe maximale Drehzahl und die erforderliche dynamische Steifigkeit. Die beschriebene Technik führt zu höchster Produktivität, bei hoher Oberflächenqualität und langer Lagerlebensdauer (u003E 10 000 Stunden).
Ein Spindel-Monitoringsystem überwacht alle Vorgänge an der Spindel in Bezug auf Leistung und Drehzahl, bis hin zu Temperatur und Schwingungen. Dadurch ist die Möglichkeit der Verringerung von Ausfallzeiten durch das frühzeitige Erkennen von abnormen Betriebszuständen möglich. Weiterhin lässt sich durch die Fahrtenschreiberfunktion eine mögliche Schadenshistorie im Lebenslauf des Spindelsystems dokumentieren. Ein Spindel-Anti-Damage-System für den sicheren Betrieb der Maschine bewirkt das schnelle Abschalten der Maschine bei erhöhter Achsbelastung und bei instabilen Bearbeitungsprozessen.
Am Beispiel des Taschenfräsens soll auf das Thema stabile Betriebspunkte der Motorspindel aufmerksam gemacht werden. Wir geben über ein vorhandenes Analysenprogramm unserem Anwender bei kritischen, langen Werkzeugauskragungen die erreichbare Zerspanungsleistung und den stabilen Prozesspunkt bekannt.
Von der Premium- zur Kompakt-Spindel
Im Bereich der „normalen Anwendung“ bei Produktionsmaschinen ist ein angemessenes Preis-/Leistungsverhältnis von entscheidender Bedeutung.
Standard-Motorspindeln von 15 000 1/min mit HSK A63 und 10 000 1/min mit HSK-A100, bei denen im unteren Bereich mit verhältnismäßig hohem Drehmoment gearbeitet werden muss und trotzdem auch eine ausreichende Zerspanungsleistung bei hohen Drehzahlen gefordert ist, lassen sich auch ohne die vorstehend dargestellte Kernkühlung wirkungsvoll und wirtschaftlich einsetzen.
Die Auslegung erfolgt mit einer geringen Reduzierung im Lagerdurchmesser und in der Vorspannnung. Die aktive Kühlung, Lagerhülse und Stator, werden wie vorstehend beschrieben ausgeführt. Die Schmierung wird über eine Öl-/Luftschmierung bewirkt. Die Auslegung der Spindel ist so gewählt, dass im Bereich der Lagerlebensdauer die Gebrauchseigenschaften nicht begrenzt sind (d. h., die kalkulatorische Lebensdauer beläuft sich auf 26 000 Stunden).
Die axiale Verlagerung der Spindel wird über ein Lernprogramm kompensiert und kann somit für die allgemeinen Produktionserfordernisse auf 5 – 6 μm konstant gehalten werden. Die gesamte Maschinen-Serie a1, in der die beschriebenen Spindeln verbaut werden, sind in Hinblick auf geringe Betreiberkosten konzipiert. Auch bei dem beschriebenen Spindelsystem konnten wesentliche Reduzierungen des Teileumfanges durch die konsequente Anwendung der Mechatronik erzielt werden. Ein Hauptaugenmerk wurde auf einen Spindeltausch bei „Crash“ gelegt.
Im Normalfall braucht lediglich das Spindel-Cartridge getauscht werden, dieses geht schnell (ca. 1 – 2 Stunden) und ist aus ersatzteiltechnischer Sicht recht kostengünstig. Das vorgestellte Kompakt-Spindelsystem lässt sich für die Schwerzerspanung mit hohem Drehmoment bis zu 1000 Nm realisieren. Die Motorleistung beträgt 37 kW, die max. Drehzahl 8000 1/min. Das vordere Spindellager ist durch Schrägkugellager Ø 120 mm in 4 Reihen in O-Anordnung ausgeführt. Das Einsatzgebiet ist die Schwerzerspanung, z. B. von Titan und Vermikular-Guss (GGV). Bei beiden Anwendungen sind bemerkenswerte Zeitspanvolumen erreichbar. Bei Titan bis 400 cm³/min, bei GGV bis zu 1 000 cm³/min.
Insbesondere im Bereich der Titanbearbeitung sehen wir für die nächsten Jahre wesentlichen Entwicklungsbedarf für Motorspindeln bis 2 000 Nm und eine optimierte Prozessentwicklung.
Makino Europe GmbH Tel. 040/298090, Fax 040/29809400 www.makino.de
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