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Präzisionsspindel Überarbeitete Motorspindel mit Wellenkühlung

| Autor / Redakteur: Al Breitenberger / Stefanie Michel

Die Ansprüche an Präzision und Oberflächengüte steigen stetig. Doch dafür muss die Motorspindel entsprechend ausgelegt und optimiert sein. Eine überarbeitete Hochpräzisionsspindel ist dafür gerüstet: sie weist einen ausgeglicheneren Wärmehaushalt auf und zeigt hohe dynamische Steifigkeit.

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Bei der überarbeiteten Motorspindel HVC140 konnte der thermische Einfluss auf die Spindelaufnahme durch Strömungsoptimierung auf ein Minimum reduziert werden.
Bei der überarbeiteten Motorspindel HVC140 konnte der thermische Einfluss auf die Spindelaufnahme durch Strömungsoptimierung auf ein Minimum reduziert werden.
(Bild: Step-Tec)

Seit gut sieben Jahren ist Step-Tec mit der Hochpräzisionsspindel „Coolcore“ am Markt, um die hohen Genauigkeitsansprüche für Formenbauteile zu erfüllen. Der Technologiewandel einerseits aber auch die stetig steigenden Erwartungen hin zu noch höherer Präzision und besseren Oberflächengüten, insbesondere von Formen im ICT-Bereich (Information and Communications Technology) haben Step-Tec dazu bewogen die bisherige Hochpräzisionsspindel HVC140 auf den neusten Technologiestandard zu bringen. Eine Reihe technischer Neuheiten flossen in die ganze 140er Plattform mit ein, welche nicht nur die bekannte Opticool-Spindel (OCS) mit 42.000 min-1 aufwertet sondern die Coolcore-Spindel mit Wellenkühlung in Sachen Präzision und Stabilität an die Grenzen des physikalisch Machbaren bringt.

Mit Wellenkühlung geringerer thermischer Einfluss auf Motorspindel

Für die neue Generation der HVC140CC-Spindeln wurde der OCS-Kühlkreislauf einer weiteren Strömungsoptimierung unterzogen. Dies führte zu einem noch ausgeglicheneren Wärmehaushalt der die polare Temperaturverteilung im Bereich des vorderen Spindelmantels auf eine Minimalabweichung von 1,1 K brachte. Der thermische Einfluss auf die Spindelaufnahme ist somit auf ein Minimum reduziert, die Maschinen-Spindelachsgeometrie bleibt frei von Verzug.

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Die von Step-Tec patentierte Wellenkühlung, bekannt unter der Bezeichnung Coolcore, wurde technisch noch einmal verbessert, sodass deutlich weniger Wartung im Betrieb nötig ist. Die neu gestaltete Dreheinführung zur Übergabe des Kühlmediums in die rotierende Welle ist im Bedarfsfall vor Ort austauschbar und erfordert keinen Spindeltausch mehr.

Mit einem optimierten Luftmanagement in der Spindel und dem neu ausgelegten Labyrinth, dem Twin Air Sealing System (TAS), konnte gleichzeitig eine absolute Dichtheit erzielt werden. Somit verschmutzt das Werkstück ebensowenig wie der Bearbeitungsraums durch Ölaustritt an der Spindelnase. Das prädestiniert die Spindel für die Kunstoffbearbeitung, beispielsweise in Medizintechnikanwendungen wie auch in der Graphitelektrodenherstellung.

Die Plananlage für das Werkzeug wurde zudem segmentiert und mit Kegelreinigungsbohrungen versehen um die hohe Spindelgenauigkeit bei einem Werkzeugwechsel nicht zu schmälern.

Höchste dynamische Steifigkeit dank ausgeklügelter Lagerauslegung

Das Beschreiten neuer Wege in der Lagerauslegung mit 4 Hochpräzisions-Hybridlager führte letztlich zu einer bisher nie erreichten Steifigkeit. Die Verbesserungen der Steifigkeitswerte gegenüber des Vorgängermodells an der Plananlage des Werkzeugs betragen 16 % in radialer Richtung und 70 % in der Achslage auf Zug und Druck – Werte, die sich im Präzisionsformenbau und in der Produktion kleiner Präzisionsteile nicht nur sehen lassen, sondern zu den besten ihrer Klasse gehören. Eine gesteigerte dynamische Steifigkeit, gepaart mit geringsten Rundlauf von 3 µm und einem Planlauf am Messdornende von 2 µm garantieren höchste Werkzeugwechselgenauigkeiten was überhaupt erst eine Teilebearbeitung in dieser Präzisionsklasse mit einem Oberflächenfinish von Ra = 0.05 µm ermöglicht.

Eine neue lagerlose, abhebende Drehdurchführung erlaubt es, Kühlschmierstoffe unter hohem Druck einzubringen; genau dosierte Minimalmengenschmierung ist dabei genauso möglich wie Luft in Rotation bei wesentlich reduzierterem Verschleiß. Gegenüber dem Vorgängermodel gelang es, mit einem neu entworfenen Spanner die Spindel rund 60 mm kürzer zu bauen, was letztlich einen kompakteren Schwenkkopf ermöglicht und somit dessen Dynamik beim Schwenken erhöht.

Längenmesssystem mit integrierter Elektronik ist optional bestellbar

Ein neues, optional bestellbares hochauflösendes Längenmesssystem mit integrierter Elektronik liefert das Signal für die dynamische Kompensation und ein zweites Signal zur Kompensation des thermischen Restwachstums der bereits hochgenauen Coolcore-Spindel. Der Kunde kann mit dieser Option und eigener Software Achskompensationen einleiten um höchste Genauigkeitsansprüche zu erfüllen.

Step-Tec ist es gelungen, die Coolcore-Spindel zu optimieren. Sie erfüllt höchste Ansprüche an Oberflächengüte und wirtschaftlicher Dauerfestigkeit um die heutigen hohen Kundenanforderungen zu befriedigen. Außerdem ist die Spindel Industrie-4.0-tauglich. Sie ermöglicht externes Datenmonitoring, um den Spindelstatus und vor allem den Spindelzustand abzufragen – beispielsweise für eine präventive Wartung.

Eine Step-Tec-Spindel steht für Qualität und ist Garant für höchste Leistung und Zuverlässigkeit. Sie ist das Herz ihrer Werkzeugmaschine, welche pro Jahr bis zu 7000 und mehr Betriebsstunden leistet. Damit ihre Genauigkeit bewahrt wird, ihre hohe Leistung permanent zur Verfügung steht und ihre Verfügbarkeit gesichert ist, bietet Step-Tec neben dem herkömmlichen Austausch-Service-Programm (SEP) auch präventive Wartung an. Bei einem Ausfall der Spindel zählt neben den Kosten auch die Zeit bis die Werkzeugmaschine wieder produziert.

Präventive Serviceleistungen für maximale Maschinenverfügbarkeit

Diese neue Servicedienstleistung wurde speziell für die Step-Tec-Kunden mit einer Garantieerweiterung und vorbeugenden Lösungen entwickelt, um ungeplante Maschinenausfallzeiten zu minimieren. Der erste Schritt ist eine schnelle und effiziente Diagnose des Zustandes der Spindel. Dank dem in jede Spindel eingebauten Spindle Diagnostik Modul (SDM) analysiert der Servicetechniker den Betriebszustand und schlägt eine Garantieerweiterung und/oder vorbeugende Serviceleistungen vor, um die Produktion beziehungsweise Maschinenverfügbarkeit zu sichern und zu optimieren. Es gibt drei Servicemodelle:

  • „Erweiterte Garantie“ in der Anfangsphase des Spindellebens,
  • „Präventive Wartung“ vor dem Eintreten eines Ernstfalles und
  • „Präventiver Spindeltausch“ wenn sich eine gröbere Havarie abzeichnet.

Diese drei Modelle haben alle das Ziel die Wartung planen zu können um die Maschinenstillstandszeit möglichst geringst zu halten, was die Produktivität gewährleistet. Über ein Maschinenleben betrachtet werden die Wartungskosten kleiner als bei herkömmlicher Wartung, wo gehandelt werden muss wenn die Maschine infolge eines Defekts stillsteht.

Step-Tec auf der EMO Hannover 2017 (GF Machining Solutions): Halle 27, Stand B24

* El.-Ing. (HTL) Al Breitenberger ist Mitarbeiter der Entwicklungsabteilung der Step-Tec AG in 4542 Luterbach (Schweiz)

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