Suchen

Antriebe

Motorspindeln sorgen für den letzten Schliff

| Autor/ Redakteur: Reinhold Schäfer / Reinhold Schäfer

Die Anforderungen an Hochfrequenzspindeln gehen im Segment Drehmaschinen zu immer höheren Geschwindigkeiten und höherer Schruppleistung. Für das Segment Schleifen gehen sie eher zu höherer Genauigkeit und etwas niedrigeren Geschwindigkeiten.

Firmen zum Thema

Motorspindeln, also Spindeln mit integriertem Motor, arbeiten im Verborgenen. Eingebaut in Maschinengehäusen und gut abgedeckt, lassen sie konzentrische Werkstücke schnell rotieren, während das feststehende Werkzeug dem Werkstück seinen letzten Schliff gibt. Es gibt sie in den verschiedensten Ausprägungen: Als Hochfrequenzspindeln sorgen sie beipielsweise in Drehautomaten dafür, dass Material in kürzester Zeit abgetragen wird, und in Schleifmaschinen, dass die Oberfläche des Werkstücks fast keine Rauigkeit mehr aufweist.

Hochfrequenzspindeln zum Schleifen, Fräsen und Bohren

Bildergalerie

Motorspindeln werden als Hochfrequenzspindeln vorwiegend zum Schleifen, Fräsen und Bohren, aber auch für die Hartbearbeitung mit definierter Schneide eingesetzt. Je nach Maschinenkonzept und Bearbeitungsaufgabe sind sie mit ISO- SK- oder HSK-Schnittstelle für manuellen oder automatischen Werkzeugwechsel erhältlich.

Angefangen hat alles mit der Produktion von Lagern. Und zur Herstellung dieser Lager brauchte man auch die entsprechenden Dreh- und Schleifmaschinen, die es ermöglichten, immer schneller diese Lager herzustellen. Wurden die Spindeln dieser Maschinen früher generell über Riemen von einem externen Motor angetrieben, kam in den 60er Jahren des letzten Jahrhunderts seitens der Maschinenhersteller die Forderung auf, den Motor innerhalb der Spindel unterzubringen.

Seit Mitte der 80er Jahre wurden diese Spindeln nicht nur zum Schleifen, sondern auch für andere Fertigungsverfahren eingesetzt. Das lag auch daran, dass man damals mit der Hochgeschwindigkeitszerspanung anfing. Einen richtigen Ansturm auf die Spindeltechnik gab es dann Mitte der 90er Jahre, als man damit begann, viele standardangetriebene Spindeln durch Motorspindeln zu ersetzen.

Heute wird die Elektrospindel von einem Asynchronmotor oder Synchronmotor angetrieben. Dabei geht die Abgabeleistung im Dauerbetrieb nach Angaben der GMN Paul Müller Industrie GmbH & Co KG in Nürnberg (im so genannten S1-Betrieb) bis 150 kW. Die Abgabe-Drehmomente reichen dabei bis 1250 Nm und die Drehzahl liegt bei 180 000 min–1. Der Antrieb erfolgt über gesteuerte oder geregelte Umrichter. Dies ermöglicht einen weiten Bereich mit konstanter Leistung. Dass GMN an der EMO 2007 teilnimmt, steht für Dr.-Ing. Bernd Möller, der den Bereich Engineering Spindeltechnik bei der GMN Paul Müller Industrie GmbH & Co KG in Nürnberg leitet, außer Frage: „Wir werden dieses Jahr mit unserem kompletten Lieferprogramm teilnehmen. Unser Ziel ist es, allen unseren Kunden eine Anlaufstelle anzubieten und über Themen zu sprechen, für die im normalen Tagesgeschäft keine Zeit bleibt.“

GMN möchte das Messe-Publikum von seiner Leistungsfähigkeit überzeugen. „Gerade die EMO bietet die fast einmalige Chance zu einem direkten Vergleich mit Wettbewerbsprodukten“, bestätigt Möller.

Schon vor zwei Jahren vermeldete die Weiss Spindeltechnologie GmbH in Schweinfurt neue Rekorde: So hatte Weiss gleich fünf Top-Highlights, die das Unternehmen auf der EMO 2005 in Hannover ausstellte. Ein Thema war die aktive Dämpfung zur Ratterunterdrückung.

Aktive Fettnachschmierung steigert auch die Leistung

Ebenfalls viel Beachtung fand das Thema der aktiven Fett-Nachschmierung. Dort präsentierte das Unternehmen gleich zwei Lösungsvarianten, bei denen nicht nur die Lager-Lebensdauer deutlich erhöht werden konnte, sondern auch die Leistung und Qualität positiv im Sinne einer deutlichen Produktivitätssteigerung wirkten. Auch im Volumenfräsen definiert Weiss mit seinen vorgestellten Spindellösungen den Stand der Technik. Bei Motorspindeln mit 30 000 min– 1 und 100 kW oder 22 000 min – 1 und 130 kW öffnen sich für den Maschinenbau Möglichkeiten, die von vielen lange gefordert, vom Spindelbau bislang aber noch nicht erreicht wurden.

Für Dipl.-Ing. Claus-Peter Lehnert, Geschäftsführer der Weiss GmbH in Schweinfurt, ist die EMO ein Muss: „Die EMO ist als Weltmesse der Metallbearbeitung besonders wichtig für uns, da wir dort einen großen Teil unserer Kunden treffen. Jeder, der in der Oberliga dieser Branche mitspielen will, stellt dort auch aus.“ Auf der Messe könne man sowohl bestehenden Kunden als auch potenziellen Neukunden das umfangreiche Produktportfolio mit neuesten Entwicklungen vorführen. „Übrigens, wir stellen dieses Jahr zum ersten Mal mit einem eigenen Bereich auf dem Stand unseres Mutterkonzerns Siemens A&D aus“, merkt Lehnert an. „Dadurch finden sicher noch mehr Besucher den Weg zu uns, sodass sich unser Bekanntheitsgrad – als Innovationsführer der Spindelbranche – weiter erhöht.“

Spindeln werden immer kleiner und leichter

GMN zeigt auf der EMO seine komplette Produktpalette. „Das heißt von der kleinen riemengetriebenen Schleifspindel über die am Markt überaus erfolgreiche Hochfrequenz-Schleifspindel bis zur High-End-Spindel-Lösung für die Titan-/Guss-Bearbeitung,“ erläutert Möller. „Unsere Spindeln haben eine sehr hohe Leistungsdichte. Durch die bevorzugte Verwendung von Präzisionskugellagern aus unserer eigenen Fertigung ergibt sich ein weiterer, fast unschlagbarer Wettbewerbsvorteil in Bezug auf Steifigkeit und Belastbarkeit“, ist sich Möller sicher. „Trotz Steigerung der Motorleistung beziehungsweise des Motordrehmomentes und des Einsatzes immer größerer Lager bei steigender Maximaldrehzahl werden die Spindeln immer kleiner und dadurch leichter. Wir werden auf der Messe unsere neue Hochfrequenz-Schleifspindelreihe für Drehzahlen mit 150 000, 200 000 und 250 000 min–1 vorstellen. Die dabei eingesetzten Lagergrößen erlauben uns, diese Spindeln mit einem Wellendurchmesser beziehungsweise einer Werkzeugschnittstelle auszustatten, die bislang nicht als technisch realisierbar galten.“

Ein gutes Beispiel sei die neue Hochfrequenz-Motorspindel für die Aluminium-Bearbeitung: „Bei einem Gehäuse-Außendurchmesser von 170 mm bieten wir eine – an die hohe Drehzahl angepasste – Werkzeugschnittstelle HSK-A63 mit einer Lagerbohrung von 70 mm und eine Motorleistung von 100 kW bei S1 und 48 Nm an“, verrät Möller. Auch dies seien Werte, die bislang als nicht realisierbar galten. Darüber hinaus werden Motorspindeln zunehmend auch im Bereich hoher Drehmomente eingesetzt. „So können zum Beispiel mit hochleistungsfähigen GMN-Spindeln problemlos bis zu 1000 cm³ Stahl der Güte Ck45 pro Minute zerspant werden“, erklärt Möller.

Weiss stellt auf der Messe Standard- und kundenspezifische Spindellösungen für Dreh-, Fräs- und Schleifmaschinen aus. „Dabei beschränken wir uns natürlich nicht nur auf Motorspindeln, die aus dem höchsten Leistungssegment der Werkzeugmaschinen nicht mehr wegzudenken sind“, sagt Lehnert. „Im unteren bis mittleren Leistungsbereich werden andere Anforderungen gestellt“, erläutert Lehnert. „Entsprechend finden die Messebesucher bei uns beispielsweise auch fremdgetriebene Spindeln, die in diesem Segment oft das beste Preis-Leistungsverhältnis bieten.“ Die Trends seien dabei je nach Leistungsklassen und Applikationen unterschiedlich. „Allen gemeinsam ist aber der Gedanke an möglichst geringe Life-Cycle-Costs“, sagt Lehnert.

Um dies zu erreichen, stehe im Hochleistungsbereich die Erhöhung der Leistungsfähigkeit und Produktivität der Werkzeugmaschinen im Vordergrund: „Dafür entwickeln wir – wie schon erwähnt – innovative Motorspindeln.“ Im unteren bis mittleren Leistungsbereich liegen die Schwerpunkte lehnert zufolge etwas anders: „Neben den Forderungen nach Leistung, Drehzahl, Drehmoment und Bearbeitungsqualität wiegen der Preis und weitere wirtschaftliche Faktoren relativ schwer. Entsprechend gilt es auch hier, innovativ zu sein und alle möglichen Kostenvorteile schon bei der Konstruktion zu berücksichtigen.“

Die Weiss Spindeltechnologie GmbH – eine Tochter der Siemens AG – mit Sitz in Schweinfurt ist Spezialist für die Entwicklung und Produktion von hochpräzisen Motorspindeleinheiten. Das Unternehmen liefert ein Spektrum an standardisierten sowie individuellen Lösungen und realisiert deren Einbettung in mechatronische Gesamtsysteme. Seit 2003 ist die Weiss GmbH eine hundertprozentige Tochter der Siemens AG im Bereich Automation & Drives. Mit rund 280 Mitarbeitern behauptet die Weiss GmbH dank technischer Innovationen im Segment der Motorspindeln einen Spitzenplatz.

Unter der Bezeichnung GSS (Global Spindle Solutions) bietet Weiss weltweit ein umfassendes Spindelprogramm aus einer Hand. Es besteht aus standardisierten Katalogspindeln, vordefinierten Vorzugsbaureihen und individuellen Kundenkonstruktionen für die Anwendungsbereiche Drehen, Fräsen, Schleifen und Sonderanwendungen.

Die Step-Tec AG in Luterbach, Schweiz, entwickelt und produziert seit 1995 Motorspindeln für die Bereiche Formenbau, Produktion und Aerospace. „Diese Präzisionsspindeln verrichten seit Jahren zuverlässige Zerspanungsarbeit in Bearbeitungszentren führender Maschinenhersteller“, erklärt Alois Breitenberger, El.-Ing. FH, im Bereich Entwicklung zuständig für sämtliche Produktedokumentationen. Mittlerweile entwickelte und baute die Firma rund 60 verschiedene Spindelvarianten im Durchmesserbereich 140 bis 320 mm, welche einen Leistungsbereich von 1 bis 82 kW abdecken.

Baukastensystem führt zu reduzierem Teilestamm

Aktuelle Marktumfragen veranlassten die Step-Tec vor einem Jahr, ein neues modulares Baukastensystem für Motorspindeln im Durchmesserbereich 100 bis 120 mm zu entwickeln, welches zu einer Standardisierung mit stark reduziertem Teilestamm führt. „So entstand die Modularis-Spindelreihe, bei welcher jeweils die verschiedenen Spindel-, Motor-, Zylinder- und Medienmodule untereinander kombiniert werden können“, so Breitenberger. Die Motorspindeln der Modularis-Reihe sind mit fettgeschmierten Hybridlagern und Wasserkühlung ausgerüstet. Auf Anfrage kann auch eine Öl-Luft-geschmierte Lagerung angeboten werden.

Inzwischen stehen nach Aussage von Step-Tec mehrere Module zur Verfügung. „Für eine neue Spindelanfrage muss nicht mehr die ganze Spindel neu entwickelt werden. Stattdessen wird die Motorspindel aus vier möglichen Modulen vom Baukasten zusammengesetzt. Dennoch sind kundenspezifische Anpassungen jederzeit machbar“, zeigt Breitenberger die Vorteile auf. „Der Kunde braucht bloß viermal zu wählen und schon entsteht die Wunschspindel.“

Erste Wahl sei das Spindelmodul

Die erste Wahl sei das Spindelmodul. Es ist durch die gewünschte HSK-Werkzeugschnittstelle 32 oder 40 vorbestimmt. Die mechanische Auftrennung der rotierenden Welle, gegeben durch das modulare Baukastensystem, wirkt wie eine thermische Entkoppelung zwischen warmer Motorwelle und Werkzeugschnittstelle. Dadurch wird das Spindelmodul mit der Werkzeugschnittstelle kühler gehalten, was den Vorteil einer sehr geringen axialen Verlagerung des Werkzeuges gegenüber der Spindelaufnahme ergibt. Dieser Nutzen widerspiegelt sich in der erhöhten Bearbeitungsgenauigkeit. Als Herzstück der Spindel kann das Motormodul mit Synchron- oder Asynchronantrieb aus verschiedenen Leistungsklassen gewählt werden.

Für Asynchronantriebe bietet Step-Tec Module von 100 mm Durchmesser von bis zu 6,6 kW und 2,2 Nm und von 120 mm Durchmesser mit bis zu 13 kW und 5,8 Nm an (bei S6, ED 40%). Für Synchronantriebe gibt es die Module mit 100 mm Durchmesser bis 19,5 kW und 10,6 Nm und mit 120 mm Durchmesser bis 30 kW und 15 Nm. „Wie gewohnt“, ergänzt Breitenberger, „bietet Step-Tec in dieser neuen Spindelreihe eine umfangreiche Sensorik zur optimalen Prozesssteuerung und Überwachung der Motorspindel an. Die Motorspindeln der Modularis-Reihe sind, so Breitenberger, bei verschiedenen Kunden seit diesem Frühjahr erfolgreich im Einsatz.

Was die wirtschaftliche Lage der Branche angeht, sind sich alle Unternehmen einig: Sie sind äußerst zufrieden und gut ausgelastet. Dies verdanke man der guten Konjunktur. Zum anderen sind sich die Unternehmen aber auch darin einig, die richtigen Investitionen getätigt und die richtige Strategie gewählt zu haben, um einen so hohen Auftragsbestand zu erreichen.

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de (ID: 215588)