Hochleistungs-Drehspindeln müssen immer schneller drehen

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Das Optimieren des Schruppprozesses und damit die Steigerung der verfügbaren Leistung sind wirtschaftlich sinnvoller, weil ein verringerter Zeitanteil beim Schruppprozess – bei Zerspanungsraten von über 90% – mehr Potenzial hinsichtlich einer höheren Produktivität bietet. Eine höhere Leistung erfordert es, die Leistung prozessstabil umzusetzen. Das bedeutet, dass der Spindelhersteller zwangsläufig das mechatronische Gesamtsystem (Spindel und Umrichter) betrachten und beherrschen muss.

Neues Spindel-Umrichter-System erhöht die Produktivität

Die Fischer AG hat ein Spindel-Umrichter-System entwickelt, das die beschriebenen Randbedingungen berücksichtigt. Es verschiebt die genannten Grenzen deutlich in Richtung auf mehr Produktivität. Die neu entwickelte Spindel MFW-2320/30 VC HSK-A63 erhielt deshalb einen für diesen Anwendungsfall entwickelten Synchronmotor. Er wird durch den hauseigenen Umrichter angetrieben.

Die entwickelte Spindel hat eine Leistung von 100 kW bei einem Durchmesser von 230 mm und einer Länge von 634 mm. Das Gewicht beträgt 107 kg. Damit konnte die Leistungsdichte gesteigert werden. Im Vergleich zu konventionellen Spindeln konnte der Lagerabstand zwischen der vorderen und hinteren Lagerstelle deutlich reduziert und der Wellenaußendurchmesser erhöht werden. Dies beeinflusst die Strukturdynamik der Spindel positiv und das Fräsen bei größerer Schnitttiefe ist stabiler.

Synchronmotor ermöglicht dynamische Optimierung

Der Einfluss dieser durch Einsatz eines Synchronmotors vollzogenen dynamischen Optimierung schlägt sich bei der Berechnung der Stabilitätskarten für zum Einsatz kommende Werkzeuge nieder. Fräsversuche am WZL in Aachen und am PTW in Darmstadt bestätigten dies.

Bild 1 zeigt das Ergebnis der Berechnung einer Stabilitätskarte für ein Werkzeug mit den folgenden Parametern: Schaftfräser ohne Radius, Wendeplatten aus Karbid, Drallwinkel 20°, Schnittwinkel 11°, Freiwinkel 15° und Vollschnitt.

Daraus lässt sich der optimale Arbeitsbereich der Spindel ermitteln. Dieser liegt zwischen 20 000 und 30 000 min-1, also in dem für Werkzeuge dieser Art typischen Drehzahlbereich. Die dort angegebenen Schnitttiefen sind nicht real, weil bei der Simulation die Systemdämpfung ungenügend genau berücksichtigt wurde. Die Lage der Rattersäcke stimmt hingegen mit der Realität gut überein.

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