Mehr Leistung für die Spindel

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Werkzeugmaschinenlabor WZL RWTH Aachen

Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen

3-Punkt-Lager: Übertrag von der Forschung in die Anwendung

Die bei hohen Drehzahlen, etwa bei HSC-Prozessen, wirkenden Fliehkräfte haben großen Einfluss auf die Kinematik von Spindellagern. Die Fliehkraft führt zu einer Verlagerung der Kugeln in Richtung des Rillengrunds der Laufbahn am Außenring, wodurch der Druckwinkel am Außenring stark abfällt. Dadurch sinkt die Steifigkeit der Lager deutlich. Dies hat einen negativen Einfluss auf den Bearbeitungsprozess Eine reduzierte Steifigkeit sorgt zum einen für höhere Verlagerungen am Tool Center Point, zum anderen für eine Veränderung der dynamischen Eigenschaften des Lagers und damit der Spindel.

Am WZL wurden in verschiedenen Arbeiten Spindellager mit zusätzlichen Wälzkontakten, sogenannte Mehrpunkt-Spindellager, untersucht [2; 3]. Ein zusätzlicher Kontakt am Außenring unterbindet hier die drehzahlbedingte Verlagerung der Kugel und sorgt für einen stabilen Druckwinkel und Steifigkeit, während die Reibung dank einer angepassten Innengeometrie kaum steigt [3].

Im Arbeitskreis „Spindel-Lager-Systeme“ wird derzeit der Einsatz von 3-Punkt-Lagern in Motorspindeln für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung untersucht. Spindeln von GMN, Nürnberg, und Weiss, Maroldsweisach, mit HSK-63 Schnittstelle, einer maximalen Drehzahl von 30.000 min^-1 und einer Leistung von bis zu 120 kW werden zunächst in ihren Standardvarianten experimentell untersucht. Anschließend werden ihre Stabilitätsgrenzen in Bearbeitungsversuchen bestimmt. Nach Abschluss der Untersuchungen ersetzt man die vorderen Lagerpakete der Spindeln durch 3-Punkt-Lager und wiederholt die Versuchsreihen. So wird der Einfluss der 3-Punkt-Lager auf das Nachgiebigkeits- und Stabilitätsverhalten der Spindeln vergleichbar. Solche Untersuchungen an Spindeln werden am WZL in der Regel an der Versuchsmaschine Hexapod HOH 600 von Ingersoll durchgeführt [4]. Aufgrund der Parallelkinematik der Maschine liegen die Eigenfrequenzen der Maschinenstruktur außerhalb des durch Hochfrequenzspindeln angeregten Bereichs, was den Maschineneinfluss auf die Messungen minimiert.

Eigenfrequenz bei Spindel mit 3-Punkt-Lagern weitgehend stabil

Der Vergleich der Nachgiebigkeitsfrequenzgänge derselben Spindel mit 2-Punkt- und 3-Punkt-Lagern zeigt: Während die kritische Eigenfrequenz bei der Standardkonfiguration mit steigender Drehzahl absinkt, bleibt die Eigenfrequenz bei der Variante mit 3-Punkt-Lagern weitgehend stabil. Gleichzeitig liegt die Eigenfrequenz mit 3-Punkt-Lagern von Beginn an etwas tiefer als die mit Zwei-Punkt-Lagern, was in leicht unterschiedlichen Nenndruckwinkeln der beiden Lagertypen begründet ist (Bild 4).

Im Bearbeitungsversuch kann der Einfluss der 3-Punkt-Lager ebenfalls beobachtet werden. Stabilitätskarten im Drehzahlbereich von 18.000 bis 30.000 min^-1 zeigen, dass mit der Konfiguration mit 3-Punkt-Lagern eine höhere maximale Schnitttiefe und ein erhöhtes Stabilitätsniveau im Drehzahlbereich von 25.000 bis 30.000 min^-1 erreicht werden können (Bild 5).

In zukünftigen Untersuchungen werden weitere Spindelkonfigurationen verglichen sowie das Betriebsverhalten von Einzellagern in Prüfstandversuchen im Detail analysiert. Da die durchgeführten Versuche nur Stichproben darstellen, sind für die weitergehende Qualifizierung von 3-Punkt-Lagern Feldversuche zur Erprobung unter anwendungstypischen Bedingungen geplant.

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