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Produktiver zerspanen Forscher entwickeln eine thermoelektrisch temperierte Motorspindel

Von R. Binninger, F. Triebel, K. Schmitt und E. Uhlmann 6 min Lesedauer

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Institut für Werkzeugmaschinen u. Fabrikbetrieb d. TU Berlin
Renishaw GmbH
COSCOM Computer GmbH
Schubert & Salzer Data GmbH

Eine effizientere Spindeltemperierung für Werkzeugmaschinen wollen mehrere Partner aus Forschung und Industrie entwickeln. Dabei setzt man auf den Peltier-Effekt.

Bild 1: So sieht der Aufbau von prismatischen Peltier-Modulen aus, die zur Temperierung verwendet werden können. In einem Forschungsprojekt werden nun tubulare Peltier-Module untersucht, um damit Motorspindeln für Werkzeugmaschinen thermisch schneller zu stabilisieren.(Bild: Fraunhofer IPM)
Bild 1: So sieht der Aufbau von prismatischen Peltier-Modulen aus, die zur Temperierung verwendet werden können. In einem Forschungsprojekt werden nun tubulare Peltier-Module untersucht, um damit Motorspindeln für Werkzeugmaschinen thermisch schneller zu stabilisieren.
(Bild: Fraunhofer IPM)

In einem dreijährigen Forschungsprojekt entwickeln das Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF) der Technischen Universität Berlin, das Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik (IPM), die Dr. Neumann Peltier-Technik GmbH und die Fischer Deutschland GmbH ein neuartiges thermoelektrisches Temperiersystem für Motorspindeln.

Thermisches Maschinenverhalten beeinflusst die Bearbeitungsgenauigkeit

Im Bereich der Hochpräzisionszerspanung werden hohe Anforderungen an die Formgenauigkeit der gefertigten Bauteile gestellt, was mittlerweile den Submikrometerbereich erreicht hat. Gleichzeitig steigt der Bedarf an hochpräzise zerspanten Bauteilen. Um die Nachfrage aus den Branchen wie etwa der Medizintechnik, dem Automobilbau sowie der Luft- und Raumfahrt zukünftig wirtschaftlich bedienen zu können, ist eine hochproduktive Präzisionsfertigung notwendig. Damit die geforderte Formgenauigkeit erreichbar ist, ist das thermische Verhalten der eingesetzten Werkzeugmaschinen entscheidend. Denn bis zu 75 % der geometrischen Bauteilfehler werden durch thermisch bedingte Verlagerungen des Tool Center Points (TCP) hervorgerufen [MAY12]. Und Motorspindeln stellen innerhalb der Werkzeugmaschinenstruktur die größte Wärmequelle dar [BRE11]. Ihr thermisches Verhalten ist also maßgeblich für die erreichbare Arbeitsgenauigkeit [DEN20]. Als Folge von elektrischen und mechanischen Verlustleistungen des Motors und der Lager, werden Wärmeströme beispielsweise in die Welle und das Gehäuse der Motorspindel induziert. Diese führen trotz der nach Stand der Technik eingesetzten Fluidkühlungen zu steigenden Temperaturen. Daraus folgt eine thermisch bedingte Verformung der entsprechenden Komponenten. Schwankungen des induzierten Wärmestroms und damit auch der Verlagerung sind unter anderem durch Werkzeug- und Werkstückwechsel sowie Anpassungen der Drehzahl n unvermeidbar. Als Folge sind lange Warmlaufzeiten Δtw nötig, um einen thermisch stabilen Zustand zu erreichen. Die Wartezeit vermindert aber die mögliche Produktivität der Maschine.

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