Werkzeugmaschinen Hochleistungsspindeln machen das HSC-Fräsen produktiver

Das erfolgreiche Hochleistungsfräsen setzt aufgabengerechte und prozesssichere Motorspindeln, ingeniösen Maschinenbau und ein zuverlässiges Zusammenspiel aller beteiligten Komponenten voraus. Bieten die Kernkomponente Motorspindel, die Werkzeugmaschine selbst oder ihre Peripherie beim HSC-Fräsen noch Leistungsreserven? Automation und elektronische Überwachung sind zwei der Antworten.

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Für die Hochleistungszerspanung durch Fräsen gibt es zwei Ausprägungen: Die Bearbeitung mit höchsten Schnittgeschwindigkeiten (HSC-Fräsen, auch HSM genannt) und die an hohem Drehmoment und Abspanleistung orientierte Hochleistungsbearbeitung (HPM). Dazwischen liegen Zerspanungsaufgaben, bei denen hohe Abspanleistung plus Eignung zum Oberflächen-Finish abverlangt werden.

Höchste Drehzahlen werden einerseits in der Flugzeugindustrie gebraucht, die Integralbauteile aus Aluminium bearbeitet, andererseits aber im Formenbau. Wenn zum Beispiel Fotoapparate oder Handys immer kleiner und die Formen zu deren Herstellung immer filigraner werden, muss mit Fräserdurchmessern von 0,5 mm und kleiner gearbeitet werden – auch bei der Herstellung schmaler Kavitäten in der Feinwerktechnik.

Je höher die Schnittgeschwindigkeit, desto kleiner der Schnittdruck; und das ist beim Fräsen von Elektroden für die funkenerosive Bearbeitung wichtig. Bei der Herstellung dünnwandiger Grafitelektroden ist es möglich, mit diamantbeschichteten Fräsern von 0,2 mm Durchmesser zu arbeiten, deren Schneidteil 2 bis 4 mm lang ist (Aspektverhältnis 10 bis 20).

So nehmen die Arbeitsspindeln eine Schlüsselposition für die Weiterentwicklung von Werkzeugmaschinen ein. Angesichts der Miniaturisierungstendenz haben Spindeldrehzahlen von nahezu 60 000 min-1 durchaus ihren Sinn. Für schnelldrehende Hauptspindeln, in die Werkzeuge automatisch eingewechselt werden – und nur von solchen ist hier die Rede, nicht von eigentlichen Schleifspindeln – gibt es jedoch keine Anfragen nach noch höheren Drehzahlen. Hingegen ist die Erwartung in Richtung Zuverlässigkeit enorm gestiegen.

Arbeitsspindeln für Verbesserungen bei Werkzeugmaschinen entscheidend

Seit 1995 entwickelt, produziert und vertreibt Step-Tec Motorspindeln. Diese gehen zu etwa 50% in den Werkzeugmaschinenbau der GF Agie-Charmilles, Hersteller der Mikron-Bearbeitungszentren, und zu weiteren 50% an andere namhafte Werkzeugmaschinenbauer. Insgesamt werden etwa 60 verschiedene Spindeltypen hergestellt.

Die Motorkennlinien unterscheiden sich hinsichtlich der Anforderungen im Formenbau, in der Produktion und im Bereich Aerospace. Die Drehzahlen reichen bis 54 000 min-1, die Leistungen bis 70 kW. Ziel der Produktion von Step-Tec ist es, eine akzeptable Spindelgröße, hohe Genauigkeit, einen kontrollierten Temperaturgang und eine lange Lebensdauer miteinander zu verbinden.

Dazu setzt der Hersteller auf sinnvolle Auslegung, verlässliche Berechnung und Konstruktion sowie modernste Fertigungsmethoden und eine gute Montagetechnik. Am Ende wird jedes Teil geprüft, bevor es das Unternehmen verlässt (Bild 1 – siehe Bildergalerie).

Eine Schlüsselposition nehmen befähigte Mitarbeiter ein, die, ähnlich wie in Uhrmachereien oder beim Werkzeugschleifen, über das nötige handwerkliche Geschick verfügen.

Bei Step-Tec hat man etwa 25% Eigenfertigung. Dazu gehört alles, was mit den Lagern der Motorspindel in Berührung kommt, vor allem die Spindelwelle und die Lagerflansche vorn und hinten. Verwendet werden hochwertige Hybridlager, bei denen die Wälzkörper (Kugeln und Zylinderrollen) aus Keramik und die Ringe aus hochwertigem Stahl sind.

Hybridlager als wichtigste Neuerung bei Arbeitsspindeln

Die Einführung der Hybridlager war eine wegweisende Innovation, die sich das Unternehmen von Anfang an zu eigen machte. Feinste Oberflächen, wie sie heute mit den Motorspindeln produziert werden, sind mit Stahlkugel-Wälzlagern – bei einer Lebensdauer von mehr als 20 000 Stunden – nicht erreichbar. Hinsichtlich Reibung (kleinere Fliehkräfte), Wärmeausdehnung und Schmierung – üblich ist eine Öl-Luft-Schmierung – haben Hybridlager große Vorteile.

Das Erfolgsrezept für eine lange Lebensdauer liegt auch darin, wie die Lager verbaut werden. In Abmessung und Rundlauf geht es um 1 µm.

Auch der elektromotorische Teil der Hauptspindeln hat in den letzten zwölf Jahren einen starken Leistungszuwachs erfahren, nicht nur in Richtung HSC mit 54 000 min-1. Bei HPM gibt es Entwicklungssprünge der Höchstdrehzahl von 12 000 min-1 (160 Nm) auf 20 000 min-1 (160 Nm) und von 20 kW auf 66 kW.

Beides hat Auswirkungen auf den Maschinenbau, der diesen Geschwindigkeiten und Kräften in Dynamik und Stabilität gewachsen sein muss. HPM-Hauptspindeln sind sowohl für das schwere Schruppen als auch für das Schlichten geeignet.

Schlüssel für Leistungsfähigkeit der Arbeitsspindel ist die Lagerung

Eins der Erfolgsrezepte des Spindelherstellers ist die Einbindung der Mitarbeiter durch kontinuierliche Mitarbeiterinformation, die Transparenz schafft und durch aktuelle Schaubilder motiviert, an Verbesserungen aktiv mitzuwirken (KVP).

Die Motorspindeln sind mit einem Spindel-Diagnostik-Modul ausgerüstet, einer Art Fahrtenschreiber. Aufgezeichnete Daten können bei der Gewährleistung eine Rolle spielen. Einzelne Signale über Vibration und Lagertemperatur werden dem Betreiber von Mikron-Bearbeitungszentren mit den Software-Modulen Smart Machine für die Prozesssteuerung Fräsen zur Verfügung gestellt. Der Anwender erkennt, was der Spindel nicht gut tut, und wird im Laufe der Zeit schädliche Belastungen vermeiden.

Zum Einsatz kommen die Spindeln vor allem bei den Bearbeitungszentren des Schweizer Werkzeugmaschinenherstellers GF Agie-Charmilles, dessen Produktportfolio 42 Maschinentypen umfasst. Ein Spitzenmodell, das fünfachsige Bearbeitungszentrum Mikron HSM 400U (Bild 2), kann mit einer Hauptspindel ausgerüstet werden, die mit bis zu 54 000 min-1 umläuft. Damit ist sie nicht nur zum HSC-Fräsen von Stahl und Aluminium, sondern auch für das Bearbeiten von Keramik-Grünlingen durch Fräsen oder Schleifen und zum Fräsen von Grafit geeignet.

Spezielle Arbeitsspindeln für die Medizintechnik

Im Zuschnitt auf die Medizintechnik trägt die Maschine den Namenszusatz Prod Med oder Prod Med Dental. Ein Unterschied gegenüber der Grundausstattung ist, dass in der Medizinaltechnik mit Öl gekühlt wird.

Wenn Zahnimplantate, Knochenplatten oder Oberschenkelraspeln hergestellt werden (Bild 3), arbeiten die Step-Tec-Hauptspindeln im Bereich von 20 000 bis 30 000 min-1. Die Werkzeugdurchmesser liegen dabei im Bereich von 1 bis 16 mm. Aber auch gehärtete Formeinsätze für Spritzgießformen lassen sich zeitsparend bearbeiten.

Bei den Bestellungen von Werkzeugmaschinen ist festzustellen, dass sich der Trend zur Automation mit zugehörigen Palettensystemen verstärkt. Die Anwender der Maschinen haben es nicht mit Millionen-Stückzahlen zu tun, viel eher mit mittleren und kleinen Serien und Stückzahlen in Richtung 1.

Automation bei Werkzeugmaschinen immer gefragter

Aber gerade am Standort Deutschland gilt es, das Potenzial Automation in personalarmer oder mannloser Schicht auch bei kleinen Stückzahlen auszuschöpfen. Das wird erkannt und genutzt, besonders bei der Wiederholfertigung kleiner Serien, die auf Abruf schnellstens geliefert werden müssen. Das Interesse an Applikationen ist groß (Bild 4), und die Realität zeigt, dass etwa 70% der Mikron-Bearbeitungszentren in der Erstausstattung mit Palettenwechsler gekauft werden.

Zum wirtschaftlichen Betrieb tragen auch die Module Smart Machine bei, die in der Kommunikation zwischen Mensch und Maschine den Fräsprozess optimieren, die Zuverlässigkeit bei mannlosem Betrieb erhöhen und die Produktionskosten senken. Zwei Beispiele: Das Modul APS (Advanced Process System) nutzt Signale aus der Hauptspindel und veranlasst zu Reaktionen. Mit dem Modul OSS (Operator Support System) können für den Bearbeitungsvorgang Prioritäten in Bezug auf Geschwindigkeit, Genauigkeit und Oberflächengüte gesetzt werden, um die Vorgaben der Konstruktion und Arbeitsplanung – auch innerhalb eines Werkstücks – einzuhalten.

Ob die Anwendung der simultanen HSC-Fünf-Achs-Bearbeitung weiter zunimmt – die wirtschaftlichen Effekte könnten es fordern –, ist stark davon abhängig, wie sich die Handhabbarkeit der CAD/CAM-Systeme entwickelt. Im Werkzeug- und Formenbau muss oft mit der Stückzahl 1 gearbeitet werden. Und hierbei fällt die Schieflage des Programmieraufwands im Verhältnis zur Bearbeitungszeit besonders auf.

Kombination von Fräsen und Erodieren in einer Werkzeugmaschine

In der Zukunft werden sich aus der kostensparenden Kombination von Hochgeschwindigkeitsfräsen und Senkerodieren weitere interessante Möglichkeiten ergeben, die einerseits die Wettbewerbsfähigkeit im Werkzeug- und Formenbau steigern, die andererseits aber auch der Fertigung von General-Mechanics-Präzisionsteilen neue Impulse geben.

Ein weiteres Entwicklungspotenzial wird sich mittelfristig noch über fünfachsige Maschinen mit Linearantrieben in allen Achsen auftun. Wenn Maschinenbauer und Motorspindelhersteller im andauernden Dialog sind, nützt das dem Anwender sowohl in Richtung HSC- wie auch HPM-Bearbeitung. Dieses Potenzial trägt zu der Voraussetzung bei, dass in dem komplexen System einer prozesssicheren simultanen HSC-Fünf-Achs-Bearbeitung alle Komponenten aufeinander abgestimmt miteinander funktionieren müssen.

Gerhard Zuber ist Leiter Verkauf und Marketing und Mitglied der Geschäftsleitung der Step-Tec AG in 4542 Luterbach (Schweiz). Ing. HTL Urs Hänni ist Leiter des Produktmanagements Fräsen der Mikron Agie Charmilles AG in 2560 Nidau (Schweiz).

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