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Produktion

Schnelle Spindel

28.09.2006 | Redakteur: MM

Spindel mit Hybridzylinderrollenlager für hohe Zerspanvolumina. Im Werkzeug- und Formenbau treten beim Fräsen von hochlegierten Stählen sehr hohe Schnittkräfte auf.

Spindel mit Hybridzylinderrollenlager für hohe ZerspanvoluminaIm Werkzeug- und Formenbau treten beim Fräsen von hochlegierten Stählen sehr hohe Schnittkräfte auf. Beim Tauchfräsen und Bohren handelt es sich dabei insbesondere um Kräfte, die in axialer Richtung wirken, während beim Plan-, Nuten-, Eck- und Konturfräsen in erster Linie Radialkräfte vorherrschen. Wird zum Fräsen von Kaltarbeitsstahl X210Cr12 ein Torusfräser mit einem Durchmesser von 47 mm und vier runden Wendeschneidplatten mit 16 mm Durchmesser eingesetzt, so ergeben sich folgende Schnittkräfte: Taucht der Torusfräser beim Auskammern einer Tasche mit einem Vorschub fn von 0,12 mm und einer Schnittgeschwindigkeit vc von 180 m/min vollständig ins Werkstück ein, so ergibt sich eine axiale Schnittkraft Fc von über 7500 N.Der exakte Wert lässt sich meist nur durch Messungen ermitteln, weil die Geometrie, der Anschliff und die Anstellung der Wendeschneidplatten, aber auch deren Verschleißzustand, wesentlichen Einfluss haben. Das erforderliche Drehmoment ergibt sich zu 178 Nm und die Antriebseinheit hat 23 kW zu erbringen. Ist der Torusfräser ins Werkstück eingetaucht und fräst eine 7 mm tiefe Nut, so errechnet sich eine Schnittbreite ae von 62,875 mm.Bei dieser Schnittbreite und 7 mm Schnitttiefe ap wirkt bei einem Vorschub pro Zahn von 0,2 mm und unveränderter Schnittgeschwindigkeit eine Schnittkraft von 5429 N auf die Spindellager. Die erforderliche Schnittleistung Pc beträgt bei einer Spindeldrehzahl n von 1219 min-1 und einer Vorschubgeschwindigkeit vf von 0,975 m/min 16,3 kW. Als Drehmoment ergibt sich 128 Nm. Zerlegt man die sich ergebende Schnittkraft, so erhält man eine radial wirkende Komponente von etwas mehr als 4000 N und eine Axialkraft von über 3500 N.Konventionelle Spindellager werden häufig überlastetBei derart hohen Schnittkräften werden die Lager konventioneller Spindeleinheiten bis an die Grenzen belastet, häufig sogar überlastet. Als Grenzbelastung für ein Lager gilt die maximale Hertzsche Pressung im Wälzkontakt, bei der noch keine Schädigung der Laufbahn und der Wälzkörper auftritt. Für Lagerstahl 100Cr6 beträgt diese etwa 2500 MPa. Aufbauend auf der maximalen Pressung im Wälzkontakt kann der Spindel- oder Werkzeugmaschinenhersteller die maximal möglichen Kräfte auf die Spindel nennen. Überschreiten die gerechneten oder gemessenen Bearbeitungskräfte die erlaubten Grenzen, so müssen die Schnittparameter zurück genommen werden.Eine Reduzierung der Schnittparameter widerspricht jedoch einer wirtschaftlichen Nutzung der Werkzeugmaschine. Sinnvoll ist deshalb die Wahl einer Werkzeugmaschine mit einer leistungsfähigen Spindel. Leistungsfähig bedeutet aber nicht nur eine drehmomentstarke Antriebseinheit, sondern auch eine steife und tragfähige Lagerung.Heutzutage werden die meisten Spindeln mit federnd vorgespannten Schrägkugellagern ausgerüstet. Der Grund liegt auf der Hand: Die Auslegung von federnd vorgespannten Lagerungen erfordert kein besonderes Wissen über das thermische und dynamische Verhalten des Systems. Außerdem sind motor- oder riemengetriebene Spindeln mit federnd vorgespannten Präzisionsschrägkugellagern sehr einfach zu montieren. Die Lagervorspannung wird durch den Einbau von Federn erreicht und kann über den gesamten Drehzahlbereich als nahezu konstant und weitgehend unabhängig von thermischen Einflüssen angesehen werden. Die genaue Kenntnis der Abmessungen von Welle, Lagern, Lagerumbauteilen und des Gehäuses ist nur von sekundärer Bedeutung, weil eine mikrometergenaue Abstimmung des Lagersystems nicht erforderlich ist.Starre Lageranordnung gegen FedervorspannungFedernd vorgespannte Schrägkugellagerungen in O-Anordnung können hohe Druckkräfte aufnehmen (Bild 2 unten). Zugkräfte dürfen jedoch die Höhe der Federvorspannung nicht übersteigen. Diese beträgt bei Schrägkugellagern mit einer Bohrung von 70 mm und einem Druckwinkel von 25°, je nach Lagerausführung, nur etwa 500 bis 1000 N. Wird die Federvorspannung überwunden, so wird das in Zugrichtung angeordnete Schrägkugellager entlastet, die Wälzkörper werden nicht mehr ausreichend geführt, die Kugeln gleiten stärker und das Lager kann geschädigt werden.Problematisch wird dies besonders bei wechselnder Zug-Druck-Beanspruchung beim Hochleistungsfräsen mit nicht definierbaren Zugkraftspitzen. Die Folge sind kleine Zerspanvolumina beziehungsweise Materialabtragsraten, wie Untersuchungen an Hochschulen gezeigt haben.Eine Alternative zur Federvorspannung ist die starre Lageranordnung. Bei diesem Verfahren wird die Vorspannung der Schrägkugellager nicht durch Federn erreicht, sondern durch unterschiedlich breite Lager- beziehungsweise Lagerzwischenringe (Bild 2 oben). Durch die unterschiedliche Breite der Ringe werden die Lager in axialer Richtung gegeneinander verspannt. Die Vorspannkraft wird durch die Breitendifferenz der Zwischenringe eingestellt. Bis zu Drehzahlkennwerten (Drehzahl ? mittlerer Lagerdurchmesser) von n ? dm = 1,5 Mio. mm/min ist dies problemlos möglich.In Ausnahmefällen können auch Drehzahlkennwerte von 2,0 Mio. mm/min erreicht werden. Bei starr angeordneten Lagerungen können Schrägkugellager sowohl Druck- als auch Zugkräfte in gleicher Größenordnung übertragen, nur begrenzt durch die maximal mögliche Flächenpressung im Wälzkontakt. Dies wirkt sich positiv auf das Zerspanergebnis aus. Für die Auslegung und Vorspannung einer starr angestellten Lagerung ist jedoch umfassendes Wissen über das thermische und dynamische Verhalten des gesamten Spindelsystems erforderlich. Die meisten Spindelhersteller nehmen deshalb davon Abstand. Zu viele Größen gilt es abzuwägen und zu berechnen.Beim Hochleistungsfräsen treten sehr hohe Radial- und Axialkräfte auf. Schrägkugellager müssen axial vorgespannt werden, damit sie überhaupt Radialkräfte aus dem Prozess aufnehmen können (Bild 2 unten). Durch äußere Lasten kommt es zudem zu einer Verbiegung der Welle. Diese hängt von der Steifigkeit der Welle, der Lagerung und des Gehäuses ab. Durch die Verbiegung der Welle werden die kinematischen Verhältnisse im Schrägkugellager negativ beeinflusst. Die einzelnen Kugeln werden nicht mehr gleichmäßig belastet.Je nach Angriffsrichtung der äußeren Kräfte wird ein Teil der Wälzkörper stärker belastet, beim anderen Teil nimmt die Belastung ab. Der Innenring des Schrägkugellagers verkippt gegenüber dem Außenring. Die Kugeln laufen nicht mehr auf einer Kreisbahn um, sondern auf einer elliptischen Bahn. Treten die Kugeln in die Lastzone ein, so werden sie abgebremst; treten sie aus der Lastzone aus, werden sie beschleunigt. Diese kinematischen Verhältnisse bedingen eine Verschlechterung des Bohr-Roll-Verhältnisses und des Wälzkörper-Vor-/Nachlaufverhaltens. Ersteres führt zu erhöhtem Verschleiß, das zweite zum Bruch des Käfigs, sobald das maximal mögliche Käfigtaschenspiel überschritten wird.Eine Alternative ist die getrennte Aufnahme von radialen und axialen Lasten. Beste Voraussetzungen für die Aufnahme von Radiallasten bieten Zylinderrollenlager. Einreihige Zylinderrollenlager haben weit höhere Tragzahlen als in der Größe vergleichbare Schrägkugellager. Darüber hinaus ist ihre radiale Steifigkeit etwa um den Faktor 8 höher.Geringfügige Schiefstellung ist von VorteilDiese Eigenschaften sind optimale Voraussetzungen für die Aufnahme von hohen radialen Kräften aus dem Bearbeitungsprozess. Ein weiterer Vorteil ist die geringe Schiefstellung der Welle unter den nachfolgenden Schrägkugellagern, die zur Aufnahme von axialen Kräften erforderlich sind. Die Kugeln erfahren weniger Lastwechselreaktionen beim Umlaufen. Letztendlich hat dies ein besseres Bohr-Roll-Verhalten und ein günstigeres Wälzkörper-Vor-/-Nachlaufverhalten zur Folge.Dies kommt auch direkt dem axialen Lastaufnahmevermögen der Schrägkugellager zugute. Bei einer optimalen Auslegung der Lagerung, bestehend aus einem einreihigen Zylinderrollenlager und zwei Schrägkugellagern in O-Anordnung, können durchaus ebenso hohe Axiallasten aufgenommen werden, wie von drei schiefstehenden Schrägkugellagern in Tandem- und O-Anordnung.Bild 3 zeigt die radiale und axiale Steifigkeit von zwei typischen Spindellagerungen. Die grünen Balken geben die radialen und axialen Steifigkeitswerte einer Frässpindel mit drei arbeitsseitigen Schrägkugellagern in Tandem- und O-Anordnung wieder. Für eine Spindellagerung mit einem arbeitsseitigem Zylinderrollenlager und zwei Schrägkugellagern in O-Anordnung stehen die roten Balken.Es ist eindeutig zu erkennen, dass die Lagerung mit dem einreihigen Zylinderrollenlager in radialer Richtung wesentlich steifer ist als die mit drei Schrägkugellagern gleicher Größe. Weiterhin sind die Werte für die axiale Steifigkeit fast gleich, obwohl im Falle der Standardlagerung zwei Lager für die Aufnahme von Druckkräften zum Einsatz kommen. Der Grund dafür sind Einschränkungen bedingt durch die Schiefstellung der Schrägkugellager-Innenringe gegenüber den Außenringen.Sehr ungünstig auf die radiale Steifigkeit wirkt sich aus, wenn das dritte Schrägkugellager einer Spindel federnd angestellt ist. Eine federnde Anstellung bedingt nämlich die Notwendigkeit der axialen Verschiebbarkeit des Lagers oder einer Büchse mit dem eingebauten Lager. Dies wiederum ist nur möglich, wenn ein ausreichend bemessener Spalt zwischen Lager und Gehäuse vorhanden ist. Ein Spalt wirkt sich jedoch ungünstig auf die dynamische und statische Systemsteifigkeit aus.Hybridlager haben hohe DrehzahlkennwerteUm hohe Drehzahlen oder Drehzahlkennwerte erreichen zu können, werden Hybridlager eingesetzt. Hybridlager besitzen Wälzkörper aus Siliziumnitrid (Bild 4). Die Abwälzeigenschaften von Siliziumnitridkugeln oder -rollen auf Wälzlagerstahl sind besser als die der Paarung Stahl/Stahl. Weiterhin haben Siliziumnitridwälzkörper eine weit geringere spezifische Dichte. Dies wirkt sich ebenfalls positiv auf das Abwälzverhalten aus, da die Fliehkräfte auf die Wälzkörper niedriger sind.Bislang wurden hauptsächlich Schrägkugellager mit Siliziumnitridkugeln eingesetzt. Mit fettgeschmierten Hybridschrägkugellagern können Drehzahlkennwerte von 1,5 Mio. mm/min sicher beherrscht werden. Öl-luftgeschmierte Lager erreichen Kennwerte von über 2,5 Mio. mm/min. Zylinderrollenlager mit Siliziumnitridrollen haben ähnlich gute Hochgeschwindigkeitseigenschaften. Mit ihnen lassen sich sehr steife Lagerungen für schnell drehende Spindeln aufbauen.Eine Arbeitsspindel mit angekoppeltem Antriebsmotor hat eine Reihe von Vorteilen gegenüber riemengetriebenen Systemen, durch Profilwellen gekoppelten Spindeleinheiten, aber auch gegenüber Motorspindeln:- thermische Entkopplung von Spindel und Antriebsmotor,- extrem steife und tragfähige Spindellagerung,- schlanke Spindelnase und damit optimale Störkontur,- gute dynamische Eigenschaften durch die Entkopplung vom Antriebsmotor,- kein Umkehrspiel zwischen Spindel und Antriebsmotor,- service- und wartungsfreundlich.Die thermische Entkopplung von Spindel und Antriebsmotor ermöglicht eine einfache und wirkungsvolle Temperaturführung der Arbeitsspindel und damit eine hohe Bearbeitungsgenauigkeit. Ebenso positiv auf das Bearbeitungsergebnis wirken sich eine hohe radiale Steifigkeit und Tragfähigkeit der Spindellagerung aus. Bei vielen Bearbeitungsaufgaben wünscht sich der Anwender eine große Eintauchtiefe ins Werkstück. Diese lässt sich durch lang auskragende Werkzeuge oder eine schlanke Spindelnase realisieren. Letzteres hat dabei eindeutig Vorteile im Hinblick auf die Systemdynamik und das Zeitspanvolumen. Eine schlanke Spindelnase lässt sich mit einer fremdgetriebenen Arbeitsspindel wesentlich einfacher realisieren wie mit einer Motorspindel.Darüber hinaus lässt sich ein zweiteiliges Spindelsystem generell dynamisch besser optimieren. Hauptgrund dafür ist das Fehlen der dynamisch ungünstigen Zusatzmasse Motorläufer zwischen den Lagerstellen. Spindeln die durch Keil-, Kerbzahn- oder Evolventenzahnprofilen mit dem Antriebsmotor gekoppelt sind, weisen häufig ein markantes Umkehrspiel bei Drehrichtungsänderungen auf. Diese Lose bereitet Endanwendern insbesondere beim Gewindeschneiden ohne Ausgleichsfutter erhebliche Probleme.Nicht zuletzt bietet eine getrennte Ausführung von Spindel und Antriebsmotor bei der Instandhaltung, wie auch im Falle eines Crashs, erhebliche Vorteile. Eine defekte Spindel kann sehr einfach aus dem Maschinengestell herausgenommen und ersetzt werden. Der Antriebsmotor verbleibt in der Maschine.Eine enge Kooperation auf dem Gebiet der Spindelentwicklung zwischen Quaser und SKF führte zu einem neuen Werkzeugmaschinenkonzept. Die Werkzeugmaschinen von Quaser sind gekennzeichnet durch ein sehr hohes Zeitspanvolumen, bedingt durch Spindeln, die überdurchschnittlich hohe Schnittkräfte aufnehmen können und einem Antriebsmotor mit einem S6-Drehmoment von 340 Nm. Aufgrund eines ausgereiften Maschinen- sowie Spindelkonzeptes ist die Systemverfügbarkeit hoch und der Wartungsaufwand gering.Nicht zuletzt kann der Endanwender weltweit auf kompetente Servicepartner für die Werkzeugmaschine und die Spindel zurückgreifen.

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