Spindellagerung Vorteile hydrostatischer Spindellagerungen

Autor: Stefanie Michel

Robert Schönfeld, Geschäftsführer von Hyprostatik Schönfeld, räumt im Interview mit Vorurteilen gegenüber hydrostatischen Spindellagerungen auf. Seine „Hyprostatik“ ist eine Alternative zur Wälzlagerung.

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Die Vorteile hydrostatischer Komponenten, wie diese hydrostatische Innenschleifspindel HSK 32 C, bleiben auch bei hohen und höchsten Drehzahlen bestehen.
Die Vorteile hydrostatischer Komponenten, wie diese hydrostatische Innenschleifspindel HSK 32 C, bleiben auch bei hohen und höchsten Drehzahlen bestehen.
(Bild: Hyprostatik Schönfeld)

Was versteht man unter „Hyprostatik“ der Firma Hyprostatik Schönfeld im Vergleich zu „Hydrostatik“?

Von uns werden zur Regelung der Ölströme in die Hydrostatiktaschen nicht Kapillaren, also feste Widerstände, sondern generell Regler mit einer ansteigenden, progressiven Kennlinie verwendet. Der Name „Hyprostatik“ anstelle Hydrostatik wurde aufgrund der Verwendung dieses PM-Reglers (Progressiv-Mengen-Regler) gewählt. Der Begriff Hyprostatik ist durch ein Warenzeichen geschützt.

Moderne hydrostatische Komponenten werden von einer Pumpe mit konstantem Druck versorgt, deren Ölstrom durch Regeleinrichtungen auf die verschiedenen Hydrostatiktaschen verteilt wird. Hierzu werden laminar durchströmte feste Widerstände, sogenannte Kapillaren, verwendet, die zwischen der Druckpumpe und den Hydrostatiktaschen angeordnet sind. Wird eine Tasche belastet, steigt der Druck in dieser Tasche, der Differenzdruck über die Kapillare und damit der Ölstrom in diese Tasche sinkt. Die Folge: Zunehmend belasteten Hydrostatiktaschen wird ein abnehmender Ölstrom zugemessen. Es ergibt sich eine deutlich geringere Steife als bei konstantem Ölstrom in die Hydrostatiktasche.

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Wie funktioniert das dann bei der Hyprostatik?

Bei unserer Hyprostatik, werden anstelle der festen Widerstände PM-Regler verwendet, welche zunehmend belasteten Taschen einen höheren Ölfluss zuführen. Damit ergibt sich eine deutlich höhere Steife als bei konstantem Ölstrom in die Hydrostatiktasche. Diese PM-Regler arbeiten selbsttätig und werden rein hydromechanisch nur durch den Differenzdruck über den Regler gesteuert. Durch ihren Einsatz anstelle von Kapillaren wird nicht eine vierfach höhere Steife erreicht.

Um positive und negative Kräfte aufnehmen zu können, benötigen die meisten hydrostatischen Komponenten gegenüberliegende Taschen, umgangssprachlich Umgriffe. Da durch PM-Regler der Ölstrom überwiegend in die belasteten Taschen geführt und von den gegenüberliegenden, entlasteten abgezogen wird, benötigen Komponenten mit PM-Reglern einen geringen Gesamtölstrom. Durch Kapillaren wird jedoch der belasteten Tasche ein verminderter, der entlasteten ein höherer Ölstrom zugeführt. Mittels PM-Reglern versorgte hyprostatische Komponenten benötigen deshalb einen deutlich geringeren Ölstrom, als solche mit Kapillaren. Bei Führungen mit Umgriff beträgt der typische Ölstrom bei Versorgung mittels PM-Reglern deshalb nur etwa 25 bis 35 % des Ölstroms bei Versorgung mittels Kapillaren.

Welche Unterschiede gibt es außerdem?

Neben diesem Effekt benötigen hydrostatische Komponenten mit Kapillaren für gleich Belastbarkeit auch einen deutlich höheren Pumpendruck, da bei Belastung der Druck in der gegenüberliegenden, entlasteten Tasche aufgrund des zunehmenden Ölstroms nicht im selben Maße abnimmt wie bei mittels PM-Regler versorgten hyprostatischen Komponenten. Um gleiche Belastbarkeit zu erreichen, muss deshalb der Druck in beiden gegenüberliegenden Taschen und damit auch der Pumpendruck deutlich höher als bei hyprostatischen Lösungen sein, wodurch auch zusätzlich ein höherer Ölstrom benötigt wird.

Einen weiteren Unterschied zwischen den beiden Systeme sehen wir in der Verwendung von nur uns zu Verfügung stehenden, vielfach geprüften Berechnungsprogrammen. Mittels dieser Programme werden hyprostatische Komponenten nicht nur gegenüber statischen, sondern auch gegenüber dynamischen Belastungen optimal ausgelegt, wodurch in der Regel mehrfach höhere Dämpfungswerte als bei mittels Kapillaren versorgten hydrostatischen Lösungen erreicht werden.

Aufgrund des verminderten Ölstroms und geringeren Pumpendruckes werden durch PM-Regler kostengünstigere Hydroaggregate und geringerer Energiebedarf erreicht.

Wo treten die Unterschiede für den Anwender am deutlichsten hervor?

Besonders dramatisch ist der Unterschied zwischen Kapillaren und PM-Regler bei schnell drehenden Spindellagerungen: Wird eine kapillarrohrversorgte Hydrostatiktasche, durch welche das Öl durch Reibung in unbelastetem Zustand zum Beispiel um 16 °C erwärmt wird, deutlich belastet, so reduziert sich der Hydrostatikspalt auf etwa 60 % und der Ölstrom auf circa 30 %. Die 1,66-fache Reibleistung entsteht in einem auf 30 % verringerten Ölstrom, die Ölerwärmung wird also von 16 auf 88 °C mehr als verfünffacht, die Ölviskosität auf ein Zehntel vermindert, das Lager bricht aufgrund der Reibleistung thermisch bedingt durch und verschleißt aufgrund der hohen Drehzahl schnell. Dies ist die Ursache für viele Ausfälle und der Grund für manche skeptische Einstellung gegenüber hydrostatischen Spindellagerungen. Unsere Spindellagerungen vermeiden diese Problematik: Die zunehmend belasteten Taschen erhalten einen zunehmenden Ölstrom, wodurch die Spaltverminderung und damit der Anstieg der Reibleistung deutlich vermindert wird. Dieser geringere Anstieg der Reibleistung entsteht nun in einem ebenfalls angestiegenen Ölstrom, sodass bei entsprechender Auslegung die Ölerwärmung bei der belasteten Tasche konstant bleibt oder sogar sinkt. Thermisch bedingtes Versagen der Lagerung bei hohen Drehzahlen ist nicht möglich.

Für welche Einsatzbereiche ist die Hydrostatik prädestiniert?

Hydrostatische, insbesondere jedoch hyprostatische Komponenten werden vorwiegend in Werkzeugmaschinen eingesetzt, wo höchste Rund- und Planlaufqualität der Spindellagerungen und Rundtische sowie Bahngenauigkeit der Führungen entscheidend sind. Der Rundlauffehler hyprostatischer Spindellagerungen ist typisch eine Zehnerpotenz kleiner als der von besten wälzgelagerten Spindellagerungen. Daneben bewirkt die Dämpfung hyprostatischer Systeme höhere Oberflächenqualitäten, höhere Grenzzerspanungsleistungen und verringerten Werkzeugverschleiß. Weiter führt die Verschleißfreiheit hydrostatischer Komponenten zu konstanter Präzision unabhängig von der Gebrauchsdauer der Maschinen sowie zu hoher Zuverlässigkeit, Verfügbarkeit und Lebensdauer.

Aufgrund dieser Eigenschaften haben sich hyprostatische Komponenten in Rund- und Unrundschleifmaschinen, aber auch in Flach- und Profilschleifmaschinen bewährt und werden dort inzwischen in steigendem Maße eingesetzt. Aber auch beim Hartdrehen und in Großmaschinen bestätigen hydrostatische Komponenten ihre Vorteile. Daneben rechnet sich deren Einsatz aufgrund der hohen Dämpfung und Verschleißfreiheit auch für Maschinen mit „normalen“ Präzisionsanforderungen, da hierdurch die Zerspanungsleistung und die Werkzeugstandzeit angehoben und die Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit gesteigert wird. Dies gilt besonders bei mehrschichtigem Betrieb, also bei härtesten Belastungen. Weiter sollen auch Sondereinsatzfälle wie Führungen für schwingende Bewegungen hoher Frequenz, Geschwindigkeit und Belastung, wie Führungen für Kaltfließpressen oder auch Lager für höchste Belastungen wie Reibschweißmaschinen erwähnt werden.

Was macht den Unterschied aus zu Systemen mit Wälzlagerungen, die viel häufiger zum Einsatz kommen?

Wie oben schon erwähnt, ist die Rund- und Planlaufqualität hydrostatischer Spindellagerungen weit besser als die von wälzgelagerten, die hyprostatischer Spindellagerungen um mehr als eine Zehnerpotenz. Diese Laufqualität beeinflusst natürlich die Oberflächenfehler am Werkstück.

Darüber hinaus weisen hydrostatische Führungssysteme einen wesentlichen Vorteil auf: Die Reibkraft hydrostatischer Führungen ist sehr gering und proportional zur Geschwindigkeit. Bei Umkehr der Bewegungsrichtung tritt also im Gegensatz zu Wälzführungssystemen, kein Sprung der Antriebskraft auf. Dies bedeutet, dass mit einem hydrostatisch gelagerten Kreuzschlitten auch an den Umkehrpunkten der beiden Schlitten fehlerlose Kreise gefahren werden können.

Ein sehr wesentlicher Unterschied besteht im Bereich der Schwingungsdämpfung. Der Ölfilm dynamisch optimierter hyprostatischer Komponenten weist gegenüber Wälzelementen vielfach zwei Zehnerpotenzen, mindestens jedoch eine Zehnerpotenz höhere Dämpfung auf. Die Folge ist nicht nur eine höhere Grenzzerspanungsleistung und Werkzeugstandzeit, sondern auch geringere Formfehler der Werkstücke.

Wälzgelagerte Spindellagerungen weisen bei „normalen“ Genauigkeitsforderungen und moderaten Drehzahlen oft ausreichende Lebensdauer auf. Auch hier ist jedoch das Bessere der Feind des Guten: Allein die höhere Werkzeugstandzeit und Grenzzerspanungsleistung rechtfertigt vielfach den Einsatz hydrostatischer Komponenten auch hier. In vielen Fällen ist aufgrund hoher Drehzahlen und/oder hoher Belastungen die Lebensdauer wälzgelagerter Spindellagerungen begrenzt und Werkstückqualität nimmt mit zunehmender Gebrauchsdauer ab. Hier bieten hyprostatisch gelagerte Spindellagerungen entscheidende Vorteile: Durch die Verschleißfreiheit bleiben die Maschineneigenschaften unabhängig von der Gebrauchsdauer auf einem hohen Niveau erhalten und die Lebensdauer der hydrostatischen Komponenten ist unbegrenzt.

Ein zusätzlicher Vorteil besteht in der thermischen Stabilität hyprostatischer Komponenten, auch von schnelldrehenden Spindellagerungen. Die Reibleistung hydrostatischer Komponenten entsteht im Hydrostatiköl. Wird dieses Öl durch konstruktive Maßnahmen schnell aus der Lagerung transportiert, so erwärmt sich die Lagerung nur gering. Wird zusätzlich das Öl der Lagerung einige wenige Grad unter die Umgebungstemperatur gekühlt zugeführt, so bleibt die Lagerung praktisch kalt, Wärmegang und Eintrag von Wärme in die Maschine wird vermieden. Schnelldrehende Wälzlagerspindeln dagegen werden meist mit Minimalmengenschmierung versorgt und können mithilfe von Luftdurchsatz oder alternativen Methoden nur begrenzt gekühlt werden. Sie sind also vielfach sehr heiß, wodurch thermisch bedingte Maßfehler entstehen.

Was sind die Vorteile Ihres Systems beispielsweise für Spindellagerungen mit hohen Drehzahlen in Werkzeugmaschinen?

Bei hohen und höchsten Drehzahlen bleiben die Vorteile hyprostatischer Komponenten im Bereich Laufqualität und Dämpfung uneingeschränkt bestehen, die Verschleißfreiheit und Temperaturstabilität jedoch werden noch wichtiger. Mit steigender Drehzahl wird die Gebrauchsdauer der Wälzlager aufgrund von Genauigkeitsverlust jedoch immer kürzer, sodass die Spindellagerungen in kurzen Abständen getauscht werden müssen. Daneben steigt die Temperatur der Wälzlagerspindeln. Die Verschleißfreiheit und minimale Erwärmung der hydrostatischen Spindellagerungen jedoch bleibt er halten.

Hyprostatik Schönfeld auf der EMO Hannover 2017: Halle 7, Stand A52

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Über den Autor

 Stefanie Michel

Stefanie Michel

Journalist, MM MaschinenMarkt