Spindelwissen

Aus- und Einbau der Spindel

Bei den meisten Instandsetzungsarbeiten wird die vertikal oder horizontal positionierte Spindel aus der Werkzeugmaschine ausgebaut. Dabei ist es von großer Bedeutung nur nach Freigabe der Maschine den Ein – und Ausbau vorzunehmen und die Sicherheitsmaßnahmen einzuhalten. Die Öl – und Kühlmittelleitungen werden zuerst getrennt bzw. zuletzt wieder verbunden.

Ist ein Versand der Spindel notwendig, ist darauf zu achten, dass alle offenen Anschlüsse für Schmierung und Sperrluft durch einen geeigneten Verschluss versiegelt werden. Dadurch wird ein Eindringen von Fremdkörpern und Feuchtigkeit, die die empfindliche Präzisionslagerung schädigen können, verhindert. Der Versand sollte grundsätzlich nur in verschlossenen Kisten erfolgen, in denen die Spindel fest verkeilt wird. Eine Spindel ist eine hochpräzise und empfindliche Schlüsselkomponente in einer Werkzeugmaschine. Die Handhabung sollte daher immer mit der größtmöglichen Vorsicht erfolgen.

Zur Inbetriebnahme wird vom Spindelhersteller eine schriftliche Richtlinie mitgeliefert. Diese Inbetriebnahmeanweisung enthält die Informationen welche elektrischen Parameter für den Frequenzumrichter einzustellen sind. Des Weiteren sind Informationen zur Kühlmittelmenge, Schmierung und Luftmenge enthalten. Die Anweisungen des Spindelherstellers sind unbedingt einzuhalten, da eine Abweichung den Verlust der Gewährleistung sowie eine verkürzte Lebensdauer zur Folge hat. Vor dem Einsatz in der Produktion sollte ein Fettverteilungslauf bzw. eine ausgiebige Einlaufphase der Öl-Luft-Anlage berücksichtigt werden.

Drehdurchführung

Eine Drehdurchführung ermöglicht Gasen und Flüssigkeiten einen abgedichteten Übergang von festen zu rotierenden oder von zwei rotierenden Körpern. In der Werkzeugmaschinenspindel ist die Drehdurchführung oberhalb der Loslager angebracht und leitet das Kühlmittel für das Werkzeug in die Welle. Dies ist für den Bereich Nassbearbeitung Öl oder Kühlmittel auf Wasserbasis oder im Bereich der Trockenbearbeitung Luft. Bei Minimalmengenschmierung, welches eine genaue Dosierung des Kühlmittels je nach Bearbeitung und Werkstück darstellt, wird ein Öl-Luftgemisch als Kühlmittel verwendet.

Die Drehdurchführung ist folglich hohen Drehzahlen und variablen Kühlmengen ausgesetzt, da sie die Medien vom stehenden Gehäuse auf die rotierende Welle überträgt. Im Bereich Werkzeugmaschinenspindeln werden meistens einflutige Drehdurchführungen verwendet. Diese leiten das Kühlmittel in eine Richtung in die Welle. Mehrflutige Drehdurchführungen leiten Gase oder Flüssigkeiten in ein rotierendes Element hinein und führen es wieder ab. Einige Hersteller bieten eine besondere Art von Drehdurchführung an, welche die Kühlung der Spindelwelle ermöglicht. Durch diese Kühlung können die Nachteile der Spindelerwärmung auf die Genauigkeit und Lagerlebensdauer eingeschränkt werden.

Drehdurchführungen werden je nach zu leitenden Medien hergestellt. Besonders ist darauf zu achten, dass bei möglichen Trockenläufen die Drehdurchführungen trockenlaufsicher sind, sodass keine Schäden aufgrund falscher Medien entstehen. Vergewissern Sie sich daher vor der Prozessumstellung von Nass- auf Trockenbearbeitung ob die eingesetzte Drehdurchführung auch dafür geeignet ist. Drehdurchführungen sind je nach Medium für Umdrehungen bis zu 100 000 min-1 und Drücke bis zu 500 – 600 bar erhältlich.

Aufgrund der Medieneinkopplung und damit hohen Relativbewegungen zwischen stehenden und rotierenden Element besteht bei Drehdurchführungen ein hohes Gefahrenpotenzial für das gesamte Spindelsystem. Sodass bei einem Defekt der Dichtung Wasser in die Spindel eindringt und dabei elektrische Bauteile oder die Wälzlager zerstört.

Encoder (Kodierer)

Encoder wandeln eine mechanische Bewegung in elektrische Signale um. Diese Umwandlung erfolgt auf optische, magnetische oder mechanische Art. Encoder werden nach der Bewegung in rotatorisch und linear unterteilt. Im Bereich der Werkzeugspindel werden zur Messung der Drehzahl rotatorische Encoder verwendet.

Encoder arbeiten mit sehr kleinen (inkremental), zu zählenden oder aber absoluten Maßverkörperungen als Strichmuster, Magnetisierung oder Kontakte. Absolute Encoder weisen jedem gemessenen Wert direkt eine Position zu. Es wird kein Referenzwert benötigt und es kann nach Stillstand der Maschine direkt auf eine bestimmte Position gefahren werden.

Inkremental Encoder benötigen einen Referenzwert, von dem aus alle Positionen bestimmt werden können. Beim Neustart der Maschine muss zuerst der Referenzwert bestimmt werden, bevor korrekte Positionswerte angegeben werden können.

Rotatorische Encoder sind auch unter Drehgeber bekannt. Diese geben mit Hilfe eines Präzisionsmesszahnrades eine Sinus- und Cosinusspannung aus, welche von der Elektronik zu relevanten Ausgangssignalen umgewandelt werden. Die genaue Erfassung der Lage des Rotors ist für die Drehzahlregelung unbedingt notwendig. Des Weiteren ist somit auch das genau Positionieren des Werkzeuges, wie beispielsweise ein Gewindebohrer, möglich.

Federnd angestellte Anordnung

Die federnd angestellte Lagerung teilt sich, ähnlich wie bei der Fest-Loslagerung, in ein Festlager an der Werkzeugzeugaufnahme und ein Loslager am hinteren Ende der Spindel auf. Jedoch ist das Festlager nicht kraftlos verschiebbar, sondern in der Regel durch eine Federanordnung am Außenring definiert vorgespannt. Dadurch können Längenänderung aus der Erwärmung der Welle und kinematische Relativverlagerungen weitestgehend ohne Vorspannungsverlust ausgeführt werden. Der verschiebbare Außenring des Loslagers wird dabei einer sogenannten Loslagerbuchse aufgenommen. Die axiale Verschiebung wird dabei häufig durch eine Kugelführungsbuchse (Linearlager) oder einer Gleitlagerung sichergestellt. Bei hydrodynamischen Gleitlagern wird das Schmiermittel drucklos oder nur mit geringem Druck an die Kontaktstelle zwischen Welle und Lagerschale geführt. Der notwendige Schmierfilm baut sich durch Mitnahme des Öls bei der Relativbewegung der Welle und Lagerschale selbstständig auf. Haupteinsatzgebiete der hydrodynamischen Gleitlagerung sind in Feinbearbeitungsmaschinen (Dreh-und Schleifmaschinen) und im Schwerwerkzeugmaschinenbau (Pressen). Hydrostatische und Aerostatische Gleitlager halten den Schmierfilm (Öl, Luft) durch ein externes Drucksystem aufrecht.

Bei der hydrostatischen Gleitlagerung werden Welle und Lagerschale durch einen dauernden Ölfilm voneinander getrennt. Die Höhe des schmierenden Ölfilms ist im Gegensatz zu der hydrodynamischen Gleitführung von der Gleitgeschwindigkeit unabhängig. Weiterhin weisen hydrostatische Gleitlager stets reine Flüssigkeitsreibung und keine Anlaufreibung auf und sind aus diesem Grund verschleißfrei. Ruckgleiten (Stick-Slip) tritt selbst bei geringer Geschwindigkeit nicht auf. Besonders bei Großwerkzeugmaschinen und im Sondermaschinenbau sind Hauptspindeln in vielen Füllen hydrostatisch gelagert. Aerostatische Lagerungen arbeiten nach demselben Funktionsprinzip wie hydrostatische Lager. Sie unterscheiden sich im Wesentlichen durch die Eigenschaften des Schmiermittels. Luft hat eine zwei bis drei Zehnerpotenzen geringere Viskosität als Öl und ist kaum von der Temperatur abhängig. Hohe Tragfähigkeiten und Steifigkeiten werden durch eine geringe Lagerspalte erreicht.

Aerostatische Lagerungen weisen eine sehr geringe Reibung, praktisch keinen Verschleiß und eine niedrige Geräuscherzeugung auf. Nachteile dieser Lagerung zeigen sich in einem erhöhten Fertigungsaufwand und schlechten Notlaufeigenschaften. Einsatzgebiete der Aerostatischen Lagerungen sind vorwiegend in Hochpräzisionsmaschinen sowie in Maschinen mit schnell laufenden Bohr- und Schleifspindeln.

Das elektromagnetische Prinzip ist heutzutage noch sehr selten im Werkzeugmaschinenbau zu finden. Elektromagnetische Lagersysteme eignen sich aufgrund des relativ großen Luftspaltes und deswegen geringer Reibmomentübertragung für sehr hohe Drehzahlen. Sie werden vereinzelt bei der Hochgeschwindigkeitszerpanung eingesetzt. Neben den elektromagnetischen Lagern sind zusätzlich Fanglager vorgesehen, welche bei Ausfall der Magnetlagerung, Stromausfall oder Überbelastung eine Zerstörung verhindern sollen. Elektromagnetische Lagerungen werden in Einzelfällen für Spezialaufgaben eingesetzt, da den hohen erreichbaren Drehzahlen ein umfangreicher Kosten-, Regelungs- und Energieaufwand gegenübersteht.

Fest-Fest Anordnung

Die Fest-Fest Anordnung der Lager besitzt zwei festgesetzte Wälzlager. Die Einstellung der Vorspannkraft wird durch einschleifen von Distanzringen realisiert. Durch die feste Verspannung ergibt sich eine hohe radiale Steifigkeit, jedoch ermöglicht diese Art der Lagerung keine axiale Verschiebbarkeit, sodass thermisches Längenwachstum der Spindelwelle oder kinematischer Relativverlagerung zwischen Außen- und Innenring, nicht ausgeglichen werden kann. Eine überhöhung bzw. Verlust der Vorspannung sind die Gefahr bei dieser Anordnung, so dass diese Art der Lagerung vor allem bei Drehmaschinenspindeln und Frässpindeln mit geringen Drehzahlen eingesetzt wird.

Fest-Los Anordnung

Bei der Fest-Losanordnung der Wälzlager wird meist das Werkzeugschnittstellenseitige Lager am Außen- und Innenring festgelegt, so dass es keine Bewegungen ausführen kann. Am anderen Ende der Welle wird ein weiteres Wälzlager auf der Spindelwelle festgelegt, wobei der Außenring im Gehäuse frei verschiebbar geführt wird. Diese Art der Lagerung eignet sich für Spindellager jedoch nur sehr bedingt, da ein Aufbringen der zwingend notwendigen Vorspannkraft auf die Spindellager nicht möglich ist.

Fettverteilungslauf

Die richtige Inbetriebnahme bei fettgeschmierten Lagerungen bestimmt maßgeblich die Lebens- und Gebrauchsdauer und die Leistung der Spindellager. Durch einen optimalen Fettverteilungslauf werden eine Optimierung des Drehzahlkennwertes, eine Reduzierung der Betriebstemperatur im Lager, eine lange Gebrauchsdauer und eine hohe Betriebssicherheit erzielt. Während des Fettverteilungslaufs wird das Fett aus der Laufbahn verdrängt und das kontinuierlich abgegebene Grundöl kann zwischen Kugeln und Laufbahnen den zur Schmierung erforderlichen trennenden Ölfilm aufbauen.

Der Fettverteilungslauf unterteilt sich in Kurzintervalle und den Dauerlauf. Zuerst werden verschiedene Drehzahlen für 1/2 – 1 min angefahren und darauf erfolg ca. 2 min Stillstand. Dies wird etwa 5-mal pro gewählter Drehzahl durchgeführt. Während des Stillstandes erfolgt ein Temperaturausgleich im Lager, welches schädliche Vorspannungserhöhungen innerhalb des Lagers verhindert. Drehzahlintervalle
können 0,33 nmax, 0,66 nmax und 1 nmax oder 0,5 nmax, 0,75 nmax und 1 nmax sein. Diese werden vom Spindelhersteller bzw. vom Spindellagerhersteller vorgegeben. Ein weiterer wichtiger Aspekt des Fettverteilungslaufs stellt die kontinuierliche Überwachung der Lagertemperatur und der Lagergeräusche dar, sodass bei extremer Geräuschentwicklung oder einer Gehäusetemperatur über 60°C der Fettverteilungslauf unterbrochen werden kann. Der Fettverteilungslauf wird sowohl von der Viskosität als auch der Menge des zu verwendenden Fettes beeinflusst. Die Wahl des Fettes hängt von der Betriebsdrehzahl und dem Lagerteilkreisdurchmesser ab:

n = Betriebsdrehzahl des Lagers [rpm]

D = Außendurchmesser des Lagers [mm]

d = Bohrungsdurchmesser des Lagers [mm]

Für die Standardfette werden die n * dm – Werte in Tabellen angegeben und erleichtern somit die Wahl des optimalen Fettes zur Schmierung der Spindellager. Fßr Hauptspindeln mit Öl-Luft Schmierung ist ein Fettverteilungslauf nicht notwendig. Jedoch sollte bei der Inbetriebnahme der Maschine darauf geachtet werden, dass durch die Leitungslänge zwischen Schmieraggregat und Hauptspindel eine Totzeit entstehen kann, bevor der Schmierstoff an der Lagerung anliegt. Es empfiehlt sich daher das Schmieraggregat eine Zeit vor dem Einschalten der Hauptspindel laufen zu lassen.

Hauptspindel

Die Hauptspindel realisiert bei Zerspanungsmaschinen die rotatorische Schnittbewegung. Dabei kann die Schnittbewegung sowohl durch eine Rotation des Werkstücks (Drehmaschinen), sowie durch eine Rotation des Werkzeugs( Bohr- oder Fräsmaschinen) ausgeführt werden. Die Ausführung der Spindeln ist je nach Einsatzzweck, Drehzahlbereich und Entwicklungsstufe unterschiedlich. So wird je nach Maschine zwischen einer direktgetriebenen und indirekt getriebenen Spindel unterschieden. Bei direkt getrieben Spindeln wird der Motor direkt an oder auf der Spindelwelle (Motorspindel) mit der Werkzeugschnittstelle integriert. Dies hat den Vorteil, dass der Aufbau sehr verdrehsteif ist. Jedoch ist die Anforderung an den Elektromotor entsprechend höher, da ein Getriebe auf diesem Weg nicht integriert werden kann.Falls ein preiswerter Standardmotor und nur moderate Drehzahlen erforderlich sind, werden häufig Riemengetriebene- bzw. Getriebespindeln eingesetzt. Diese Spindeleinheiten bestehen somit aus einer rotatorisch gelagerten Hauptspindeleinheit mit einem über ein Transmissiongetriebe verbundenen Motor. Dadurch können je nach Getriebe- und Motorwahl sehr hohe Drehmomente oder auch Drehzahlen übertragen werden.

Hohlschaftkegel-Schnittstelle (HSK)

Die HSK-Aufnahme dient zur Aufnahme von Werkzeugen (Fräser, Bohrer). Aufgrund ihrer positiven Eigenschaften bezüglich Genauigkeit und Steifigkeit weite hat die HSK-Schnittstelle nach DIN 69893 Verbreitung im Bereich der spanenden Bearbeitung gefunden. Außerdem hat ihre Eignung für hohe Drehzahlen und die Möglichkeit zum schnellen Werkzeugwechsel zu einer Vorrangstellung gegenüber der SK-Schnittstelle geführt. Seine im Vergleich zum Steilkegel deutlich höhere radiale und axiale Steifigkeit erreicht der Hohlschaftkegel durch seine Plananlage. Außerdem ist die Biegesteifigkeit eines Hohlschaftkegels weitaus größer als die von Steilkegeln oder Zylinderschäften ähnlicher Größe. Weitere Vorteile des Hohlschaftkegels liegen in der hohen reproduzierbaren axialen Einwechselgenauigkeit, die sich bei Werten von unter 1µm befindet, sowie in der geringeren Masse und der geringeren Länge gegenüber dem Steilkegel. Letztere vereinfachen vor allen Dingen Werkzeugwechsel- und Handhabungsvorgänge.

In der Norm sind 6 verschiedene Formen ( A, B, C, D, E, F) mit jeweils unterschiedlichen Eigenschaften vorgesehen, mit der Breite der Plananlage als konstruktivem Unterschied. Die Formen A, C und E besitzen eine schmale Plananlagefläche, während die Formen B, D und F breite Plananlageflächen haben. Weitere Unterschiede zeigen sich in der Gestaltung der Kühlmittelzufuhr. Bei den Formen B und D erfolgt diese über Bohrungen am Bund, während das Kählschmiermittel bei den anderen Formen zentral dem Werkzeug zugeführt wird. Die Formen C und D sind lediglich für einen manuellen Werkzeugwechsel geeignet. Die am weitesten verbreitete Form nach DIN69893 ist die Form A.

Motorspindel

Eine Motorspindel ist eine direkt angetriebene Spindel, bei der sich der Motor, der üblicherweise als Drehstrom-Asynchronmotor ausgeführt ist, direkt auf der Hauptspindel zwischen den Spindellagern befindet. Der Rotor ist hierbei direkt auf die Spindelwelle aufgeschrumpft. Die durch die hohe Verlustleistung entstehende Wärme wird zum Teil über eine Flüssigkeitskühlung oder auch vereinzelt über eine Luftkühlung über den Stator abgeführt.

Motorspindeln zeichnen sich gegenüber konventionellen Antrieben, die meist als Riemen- oder Zahnradgetriebe ausgeführt sind, durch eine hohe Verdrehsteifigkeit des Antriebs aus. Weitere Vorteile der Motorspindel sind der kompakte Aufbau des Motors, der ruhige und genaue Lauf der Spindel auch bei sehr kleinen Drehzahlen und die Erfassung der Motordrehzahl und der Spindellage über einen Zahnradgeber.

Je nach Spindeldurchmesser erreichen Motorspindeln mit einer Wälzlagerung zurzeit maximale Drehzahlen von über 30000 min-1, Motorspindeln mit Luftlagerung erreichen Drehzahlen von bis zu 120000 min-1. Außerdem können maximale Drehmomente von bis zu 750 Nm erreicht werden. Die Wahl der Lagerung wird daher maßgeblich vom Einsatzzweck der Spindel geprägt. Als Motoren kommen Synchron- und Asynchronmotoren zum Einsatz.

Aufgrund der häufig sehr kompakten Bauweise und Systemintegration kann die gesamte Spindeleinheit schnell ausgetauscht werden, jedoch birgt die hohe Integration auch die Gefahr, dass bei dem Ausfall einer Komponente wie Motor, Spannsystem oder Lagerung der Totalausfall des Spindelsystems droht. Beim Einsatz in der Produktion muss die Erwärmung des Rotors besonders beachtet werden. Die Verlustleistung des Drehstrommotors führt im Betrieb zu hohen Temperaturen der Spindel, der Lager und des Gehäuses, welche zwischen Rotor und Gehäuse nur sehr schlecht abgeführt werden kann. Dies führt zu thermischen Verformungen (Verlängerung der Spindelwelle), die die Arbeitsgenauigkeit und die Lebensdauer der Lager mindern. Einige Maschinen sind daher werkseitig mit einem Positionssensor ausgestattet, sodass thermische Effekte auf die Genauigkeit durch die Maschinensteuerung in Grenzen ausgeglichen werden können.

Rotor und Stator

Der Rotor ist der sich drehende Teil einer Maschine. Bei elektrischen Motoren oder Generatoren wird der gesamte linear miteinander rotierende Teil der Maschine als Rotor bezeichnet.

Als Stator bezeichnet man dem gegenüber den fest stehenden, nicht beweglichen Teil einer Maschine Andere Bezeichnungen für die Begriffe Rotor und Stator sind Läufer und Ständer. Je nach Motorbauform und Art ist der Rotor oder der Stator als Permanentmagnet oder Kupferwicklung ausgeführt.

Schwingungen

Neben der geforderten Dynamik einer Maschine, die für das Funktionieren notwendig ist, gibt es auch eine unerwünschte Dynamik. Wenn zeitveränderliche Kräfte oder aufgezwungene Bewegungen an einem aus elastischen und massebehafteten Teilen bestehenden System, einer Maschine, angreifen, stellen sich Schwingungen in diesem System ein. Bei der Spindel kann dies ein nicht ausreichend gewuchtetes Werkzeug sein. Diese Bewegungen sind zwar im Vergleich zu den geforderten Bewegungen relativ klein, sie können aber unter bestimmten Umständen gefährlich für die Maschine sein, da sie die gesamte Maschine zu einer Schwingungsbewegung anregen.

Resonanzerscheinungen, bei denen die Anregungsfrequenz der Eigenfrequenz der Maschine entspricht und damit zu einer Erhöhung der Schwingungsamplituden führt, sind eine sehr starke dynamische Belastung für eine Maschine. Auch selbsterregte Schwingungen, die durch eine maschineninterne Energiequelle aufrecht erhalten werden, stellen eine starke dynamische Belastung für eine Maschine dar. Zu starke Maschinenschwingungen können, wenn sie zu einer Überschreitung der zulässigen Spannungswerte eines Werkstoffs führen oder zu unzulässigen Verformungen, zu Schäden führen. Zum Beispiel dürfen die Rotorschwingungen eines Elektromotors nicht so stark sein, dass der Luftspalt zwischen Rotor und Stator überbrückt wird. Eine weitere Gefahr durch zu hohe Schwingungen besteht für die angeschlossene Peripherie und Dichtungen.

Neben der Materialbelastung stellen Maschinenschwingungen auch eine Belastung für die Umwelt dar. Das gilt nicht nur für die eigentlichen Schwingungsbewegungen, sondern vor allem auch für den durch die Schwingungen verursachten Lärm (Körperschall). Außerdem beeinflussen Schwingungen die Genauigkeit eines Fertigungsprozesses und damit die Qualität der Werkstücke negativ.

Schwingungen die durch einen rotierenden Körper hervorgerufen werden, resultieren immer aus einer Unwucht. Die Unwucht kann dabei bildlich als exzentrisch laufende Rotationsachse und Körperachse aufgefasst werden. Ein unrund laufender Körper pendelt sich immer auf der gleichen Winkellage ein, während ein ideal gewuchtetes System nur auf Grund von Reibungseffekten zum Stillstand kommt und sich somit keine eindeutige Winkellage im Stillstand ergibt. Da die Unwucht ein zentrales Element für die Lebensdauer und Arbeitsgenauigkeit darstellt ist sie einer Reihe von Normen und Vorschriften unterworfen.

Dazu werden veränderliche Massen zum Drehzentrum bewegt oder entfernt. Durch die neue Massenverteilung können somit fehlende Massen durch bspw. Bohrungen oder externe Massen korrigiert werden.

Spindelantriebe

Werkzeugmaschinenhauptspindeln werden weitestgehend durch Elektromotoren angetrieben. Als Alternative besteht zusätzlich die Möglichkeit des Antriebs durch einen Hydromotor. Konventionelle Maschinen älterer Bauart werden häufig von einem ungeregelten Elektromotor angetrieben, der in Folge des physikalischen Wirkungsprinzips fest mit der Netzfrequenz und Polpaarzahl an eine Drehzahl gekoppelt ist. Wenn die Spindel mehrere Drehzahlstufen erreichen soll, ist ein Getriebe zwischen Motor und Spindel erforderlich. Je nach Anforderung an den Drehzahlbereich und die Drehzahlgenauigkeit der Spindel können verschiedene Getriebeformen verwendet werden. Große Übersetzungen sowohl ins schnelle als auch ins Langsame können durch Riemenantriebe oder Planeten- oder Schneckengetriebe realisiert werden. Kleinere Drehzahlbereiche können durch Zahnradgetriebe abgedeckt werden. Ist die Abdeckung eines Drehzahlbereichs stufenlos erforderlich, erfolgt dies durch einen stufenlos regelbaren Elektromotor oder durch ein stufenloses Getriebe, oder durch eine Kombination von letzteren mit einem zusätzlichen Getriebe.

Der geregelte Drehstrommotor erfordert ein Antriebsumrichtersystem. Der Antriebsumrichter speist den Motor dann mit Wechselstrom einer frei wählbaren Frequenz und Amplitude. In den letzten Jahren hat sich durch die Weiterentwicklung der elektrischen Antriebe der geregelt Elektromotor im Bereich des Werkzeugmaschinenbaus durchgesetzt. Die Getriebe werden daher häufig nicht mehr als Schaltgetriebe ausgeführt, sondern ermöglichen meist die Erhöhung des abgeforderten Drehmomentes oder Drehzahl.

Spindel-Instandhaltung

Instandhaltung ist nach DIN 31051 als „Kombination aller technischen und administrativen Maßnahmen sowie Maßnahmen des Managements während des Lebenszyklus einer Betrachtungseinheit zur Erhaltung des funktionsfähigen Zustandes oder der Rückführung in diesen, so dass sie die geforderte Funktion erfüllen kann“ definiert.

Die Spindelinstandhaltung umfasst Wartung, Inspektion, Instandsetzung und Verbesserung. Bei der Instandhaltung werden inner – und außerbetriebliche Forderungen sowie Instandhaltungsstrategien berücksichtigt und Instandhaltungsziele mit den Unternehmenszielen abgestimmt.

Spindelinstandhaltung wird oft unter Spindelservice als Dienstleistung angeboten. Dies umfasst beispielsweise den Aus- und Einbau der Spindel, Kontrolle und Optimierung der Lagerung, Reparatur der Spindeln oder Wuchten der Spindeleinheit.

Spindelkühlung

Werkzeugspindeln werden durch Wasser (mit Korrosionsschutzmittel), Luft oder Öl gekühlt, um die Spindelkomponenten vor Überhitzung zu schützen und temperaturabhängige Werkstoffeigenschaften beizubehalten.

Die Kühlmittel werden durch die Kühlwendel, ein breites gefrästes „Innengewinde“ im Gehäuse um die Motorspindel geleitet. In geeigneten Kühlgeräten wird das durch die Abwärme der Spindel erhitzte Kühlmittel gekühlt, damit dies erneut durch die Kühlwendel geleitet werden kann. Dabei ist auf die richtige Zusammensetzung des Kühlmittels zu achten da durch Korrosionseffekte eine Zerstörung oder Blockade der Kühlwendel auftreten kann.

Spindellager

Als Spindellager werden einreihige Schrägkugellager mit einem Druckwinkel zwischen 12° und 25° bezeichnet. Sie bestehen aus massiven Innen- und Außenringen sowie Massiv-Fensterkäfigen und sind nicht zerlegbar. Im Vergleich zu anderen Lagern lassen sie sich durch kleinere Kontaktflächen besser schmieren. Aus diesem Grund haben sich die Spindellager für die Lagerung von schnelldrehenden Hauptspindeln von Werkzeugmaschinen durchgesetzt, welche sich gegenüber herkömmlicher Schräglager in der Genauigkeit und kleinren Kontaktflächen der Kugeln auszeichnen. Um ein definiertes Abrollen der Kugeln zu gewährleisten benötigen Spindellager immer eine Vorspannung in axialer Richtung. Auf Grund gestiegener Anforderungen, besonders an die Maximaldrehzahlen, wurden Hochgeschwindigkeitslager (HS-Lager) und Hybridlager (HC-Lager) entwickelt. Hybridlager enthalten Kugeln aus Keramik, welche eine geringeren Dichte und einen höheren E-Modul als gängiger Wälzlagerstahl aufweisen. Daraus ergeben sich erhöhte Steifigkeiten bei gleicher Vorspannung. Jedoch bedingt dies auch höhere Hertz´sche Pressungen und geringere Tragzahlen, da durch die geringere elastische Verformung der Wälzkörper und Laufbahn auch eine kleinere Druckellipse in der Kontaktfläche entsteht, welche durch eine geringere Vorspannkraft reduziert werden kann. Der keramische Werkstoff hat in Verbindung mit Stahl sehr gute tribologische Eigenschaften, sodass sich ein verbessertes Reibungsverhalten und auch ein verbessertes Verschleißverhalten im Vergleich zu den HS-Lagern ergeben. Ein weiteres Potenzial zur Steigerung der Drehzahl bietet der Kugeldurchmesser. Aufgrund der geringeren Umfangsgeschwindigkeit, kleineren Kontaktflächen und geringeren Masse sind daher Wälzlager für höchste Drehzahlen mit einer großen Anzahl kleiner Kugeln ausgestattet. Die Schmierung der Spindellager kann einerseits als Lebensdauergeschmierte und abgedichtete Fettschmierung oder als Öl/ Öl-Luftschmierung erfolgen.

Die Öl-Luftschmierung kann dabei direkt über die Außenringe des Lagers oder durch einen zusätzlichen Schmierkanal im Gehäuse erfolgen. Die Wahl der Lager sowie der Schmierung ist stark vom Drehzahlbereich und der geforderten Steifigkeit in der Bearbeitung abhängig. Die Wahl der Lagerung sollte daher immer durch den Einsatzzweck definiert werden.

Spindellagerung

Die Lagerung der Hauptspindel gehört neben der Lagerung der Vorschubspindel und der Drehtische sowie den Führungen der Arbeitstische zu den wichtigsten Komponenten der Werkzeugmaschine, die Kräfte aufnehmen und übertragen. Die Spindellagerung muss die Anforderungen an Werkzeugmaschinen erfüllen. Diese äußern sich in eine hohe Arbeitsgenauigkeit und große Leistungsfähigkeit über lange Zeit bei niedrigen Herstell- und Betriebskosten. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, erfüllen Spindellagerungen folgende Merkmale:

  • Exaktes Positionieren mit geringen Vorschubkräften durch geringe Reibung und geringes Ruckgleiten
  • Erhaltung der Genauigkeit über lange Zeit durch geringen Verschleiß und Sicherheit gegen Fressen
  • Geringe Lageveränderungen der geführten Bauteile durch eine hohe Steifigkeit und Spielfreiheit
  • Vermeidung von Ratterneigung der Werkzeugmaschine durch gute Dämpfung
    in Trag- und Bewegungsrichtungen

Die Spindellagerungen werden nach ihrem physikalischen Prinzip bzw. nach Art des Schmiermittels, des Schmierfilmaufbaus bzw. Kraftaufbaus eingeteilt in:

  • hydrodynamische Lager
  • hydrostatische Lager
  • aerostatische Lager
  • elektromagnetische Lager
  • Wälzlager

Wälzlagerungen stellen das am häufigsten verwendete Lagerprinzip für Spindellagerungen dar. Die Vielzahl positiver Eigenschaften der Lager, besonders der internationalen Standardisierung, der verhältnismäßig einfachen Berechnung und der einfachen Auswahl anhand von Katalogen, begründet diese Entwicklung. Jede Lagerbauart ist überwiegend nur für einen charakteristischen Anwendungsbereich geeignet. Dies erklärt sich durch die unterschiedliche Erfüllung der Einsatzforderungen nach Belastbarkeit, Steifigkeit, axialer Winkeleinstellbarkeit, erhöhter Führungsgenauigkeit und hohen Drehzahlen. Generell sind Rollenlager tragfähiger als Kugellager derselben Baugröße. Andererseits unterliegen Rollenlager Kugellagern bei kombinierter radialer und axialer Belastung und den Drehzahlgrenzen. Somit wurden speziell für den Werkzeugmaschinenbau Spindellager entwickelt, welche dem Anforderungsprofil nach hoher Laufgenauigkeit und Steifigkeit sowie geringen Reibungsmomenten gerecht werden.
In Kombination mit den Spindellagern können Zylinderrollenlager als Loslager eingesetzt werden, welches eine aufwändige Konstruktion der Loslagerstelle umgeht. Darüber hinaus weisen Zylinderrollenlager aufgrund größerer Kontaktflächen der Wälzpartner eine höhere radiale Steifigkeit auf, jedoch sind sie durch eine maximale Drehzahl von ca. 1,0 x 106 mm/min begrenzt.

Die Anordnung der Wälzlager lässt sich in drei Grundanordnungen unterteilen: Fest-Los Anordnung, Fest-Fest Anordnung, Federnd angestellte Anordnung.

Spindellaufzeit

Die Spindellaufzeit bezeichnet die Betriebszeit der Arbeitsspindel in der Werkzeugmaschine. Die Laufzeit gibt an wie viele Stunden sich die Spindel sich im Rahmen der Bearbeitung gedreht hat, ähnlich dem Kilometerstand eines Pkws. Dadurch wird beim Verkauf der Wert der Spindel bestimmt.

An der Laufzeit orientieren sich die Wartungsintervalle, da sie im Gegensatz zu Einschaltdauer die tatsächliche Belastungszeit der Spindel angibt. In den modernen Maschinen wird die Laufzeit automatisch erfasst und zur Auswertung aufgezeichnet. In der Fertigungstechnik kann die Laufzeit im Vergleich zu der Einschaltdauer gesetzt werden, um somit die Produktivität der Maschine zu beschreiben. So ist bei 200h Einschaltzeit eine Laufzeit von 100h im Vergleich zu einer Laufzeit von 165h eher unproduktiv. Im ersten Fall ergibt sich eine prozentuale Spindellaufzeit von 50%, im zweiten eine von 82,5 %. Heutzutage sind in den modernen Maschinen Spindellaufzeiten von bis zu 90% der Einschaltzeiten möglich. Eine Verbesserung der Spindellaufzeit im Vergleich zur Einschaltzeit lässt sich durch automatische Werkzeug- und Werkstückwechsel im Gegensatz zu manuellen Wechseln erreichen. So wird die Rüstzeit verkürzt. Weiterhin ist bei numerisch gesteuerten Maschinen die Programmierung von großer Bedeutung. Externe Programmierung verkürzt die Programmierzeit an der Maschine, welche sich bis auf das Anfahren von Referenzpunkten reduzieren kann. Insgesamt wird somit die Wirtschaftlichkeit der Werkzeugmaschine erhöht.

Spindelmotor

Als Spindelantriebe werden meist Elektromotoren eingesetzt. Je nach Anforderung an die Werkzeugmaschine kann auf 3 verschiedene Arten von rotatorischen Elektromotoren zurückgegriffen werden: Der Gleichstrommotor, der Synchronmotor und der Asynchronmotor.

Fremderregte Gleichstrommotoren haben im geregelten Zustand eine hohe Drehsteifigkeit unter Last und können ihre Drehzahl stark variieren. Deshalb wurden sie lange Zeit als Hauptantriebe von Werkzeugmaschinen eingesetzt. Das stillstehende Erregerfeld wird beim fremderregten Gleichstrommotor im Ständer des Motors erzeugt. Die Leiterwicklungen befinden sich auf dem Läufer des Motors und müssen daher durch Bürsten als Schleifkontakt versorgt werden, was eine Wartung des Motors erforderlich macht.

Der Synchron- und der Asynchronmotor gehören zu den elektrischen Drehstrommotoren. Asynchronmotoren werden üblicherweise in Verbindung mit Stufenrädergetrieben in Werkzeugmaschinen eingesetzt. Der Trend geht in die Richtung geregelte Synchronmotoren und geregelte Asynchronmotoren als Hauptantriebe zu verwenden. Beide geregelten Motorarten weisen einen großen Drehzahlbereich auf, so dass ein Schaltgetriebe meist nicht mehr notwendig ist.

Mit dem Synchronmotor erreicht man sehr hohe Leistungsdichten. Da beim Synchronmotor die Aufgaben von Stator und Rotor im Vergleich zum Gleichstrommotor vertauscht sind, verhindert man hier eine ungünstige Wärmeentwicklung and der Welle und erhält Wartungsfreiheit durch den Wegfall der Bürsten. Außerdem ergeben sich Optimierungsmöglichkeiten aufgrund von verschiedenen Rotorausführungen, die ebenfalls einen sehr großen Wellendurchmesser zulassen, wenn kein großer Feldschwächebereich erforderlich ist.

Den Asynchronmotor ist meist als Käfigläufer ausgeführt. Ihn kennzeichnen seine Wartungsarmut, sein stabiles Verhalten im Nennlastbereich und sein Robuster Aufbau. Durch verschiedene Käfigbauarten und Rotormaterialien kann man den Motor den Anforderungen verschiedener Werkzeugmaschinen anpassen. Außerdem zeichnen ihn eine weniger schwierige Ansteuerung und Parametrierung, sowie die einfach zu realisierenden großen Feldschwächebereiche aus.

Spindelverbesserung

Verbesserung ist nach DIN 31051 als „Kombination aller technischen und administrativen Maßnahmen sowie Maßnahmen des Managements zur Steigerung der Funktionssicherheit einer Betrachtungseinheit, ohne die von ihr geforderte Funktion zu ändern“ definiert.

Der Verbesserungsvorgang umfasst ähnlich der Instandsetzung „Kalkulation, Terminplanung, Abstimmung, Bereitstellung von Personal, Mitteln und Material, Erstellung von Arbeitsplänen“ und die Durchführung der Verbesserung. Den Verbesserungsmaßnahmen folgend ist eine erneute Funktionsprüfung zur Sicherung Funktionalität unabdingbar.

Der Bereich der Spindelverbesserung umfasst beispielsweise die Umstellung von Stahlkugeln auf Keramikkugeln im Spindellager zur Drehzahlsteigerung oder die Umstellung auf Minimalmengenschmierung.

Spindelwartung

Wartung ist nach DIN 31051 als „Maßnahmen zur Verzögerung des Abbaus des vorhandenen Abnutzungsvorrates“ definiert.

Der Wartungsvorgang umfasst die Erstellung „eines Wartungsplanes, der auf die spezifischen Belange des jeweiligen Betriebes oder der Betrachtungseinheit abgestellt ist und hierfür verbindlich gilt“ und die Durchführung und Einhaltung dieses Plans. Der Bereich der Spindelwartung beinhaltet Aufgaben wie das Nachfüllen des Öls oder die regelmäßige Reinigung der Werkzeugspindel von Spänen oder Kühlmittel.

Steilkegel-Schnittstelle (SK)

Die Steilkegelaufnahme nach DIN 69871 ist eine für den automatischen und manuellen Werkzeugwechsel geeignete Schnittstelle. In der Norm sind drei unterschiedliche Formen (A, B, C) der Steilkegelausführungen vorgesehen. Die am weitesten verbreitete Form des Steilkegels ist die nach DIN 69871 Form A mit Trapezrille und Orientierungsnut.

Werkzeugsteilkegel, die keine selbsthemmende Wirkung haben, müssen durch zusätzliche Spanneinrichtungen in der Maschinenspindel verspannt werden. Der am Kegel entstehende Reibschluss sorgt bei geringen Beanspruchungen für die Drehmomentübertragung. Bei größeren Belastungen übernehmen bei Form B Mitnehmersteine das Gros des zu übertragenden Drehmoments. Zu den Werkzeugen nach DIN 69871 gehören die entsprechenden Anzugsbolzen nach DIN 69872. Bei einer Nutzung von meist hydraulisch betätigten Spannzangen können die Werkzeuge sehr schnell automatisch gewechselt werden.

Unwucht

Bei einer ungleichförmigen Verteilung der Masse eines Körpers bezüglich seiner Drehachse spricht man von einer Unwucht. Unwuchten führen bei einer Rotationsbewegung zu Fliehkräften, Schwingungen und Geräuschen, die sich bei höheren Drehzahlen verstärkt bemerkbar machen. Von einer dynamischen Unwucht spricht man, wenn die Drehachse nicht mit einer der Hauptträgheitsachsen übereinstimmt. Eine statische Unwucht ist ein Sonderfall der dynamischen Unwucht. In diesem Fall liegt die Drehachse parallel zu der entsprechenden Hauptträgheitsachse. Ein weiterer Sonderfall ist eine Momentenunwucht. In diesem Fall schneidet die Drehachse die entsprechende Hauptträgheitsachse im Schwerpunkt.

Versetzt eine Rotationsbewegung einen Körper mit einer Unwucht in Resonanzschwingung, dreht sich der Körper mit kritischer Drehzahl, da sich das System aufschwingt. Unerwünschte Unwuchten an rotierenden Maschinenteilen wirken sich negativ auf die Lebensdauer und Sicherheit der Maschine und die Qualität des Maschinenprozesses aus. Um Unwuchten an Körpern auszugleichen müssen diese ausgewuchtet werden. Dies geschieht durch einen positiven(Massenzugabe) oder negativen(Massenwegnahme) Ausgleich der Massenverteilung. Die Toleranzen für das Auswuchten sind in der DIN ISO 1940 standardisiert.

Auswuchten ist nach DIN ISO 1925 als „Vorgang, durch den die Massenverteilung eines Rotors geprüft und, wenn nötig, korrigiert wird, um sicherzustellen, dass die Restunwucht oder die umlauffrequenten Schwingungen der Lagerzapfen und/oder die Lagerkräfte bei Betriebsdrehzahl in festgelegten Grenzen liegen“ definiert. Unwucht ist nach der Norm ein „Zustand, der in einem Rotor besteht, wenn als Folge von Fliehkräften Schwingkräfte oder -bewegungen auf seine Lager übertragen werden“.
Besonders im Bereich der hohen Drehzahlen der Werkzeugspindeln bewirkt schon eine geringe Unwucht ungewünschte Schwingungen bis hin zur Resonanzschwingung der Werkzeugmaschine. Die Folgen sind unzureichende Arbeitsgenauigkeiten und erhöhter Verschleiß der Maschine. Schnell drehenden Spindeln werden nach der DIN ISO 1940-1 B gewuchtet.

Werkzeugspanner

Es gibt für Bohr- und Fräswerkzeuge diverse Standardausführungen, die je nach Funktion andere Schnittstellen aufweisen. Die Standardwerkzeuge werden in Grundaufnahmen, die maschinenseitig meist als Steilkegel oder Hohlschaftkegel ausgeführt sind und die im Prinzip als Zwischenhülse wirken, eingespannt. Die Aufnahme von Bohrwerkzeugen erfolgt über Morsekegel oder über zylindrische Schäfte in Spannzangen, die sich außerdem zur Aufnahme von Schaftfräsern eignen. Auch Steilkegel- und Hohlschaftkegelwerkzeuge werden mit Spannzangen-Werkzeugspannern für schnelles automatisches Spannen gespannt.

Kompakte Spanner mit möglichst geringer Rotationsmasse lassen Drehzahlen von bis zu 45.000U/min zu. Ein Vorteil des Spannmechanismus für den Hohlschaftkegel besteht in der Zunahme der Spannkraft durch die Fliehkraft der Spannelemente bei höheren Drehzahlen. Um die hohen Haltekräfte für die Bearbeitung realisieren zu können, werden die Werkzeugschnittstellen in der Regel durch ein Federpaket gespannt. Da Federn wie jedes andere Maschinenelement einer Alterung und Verschleiß unterliegen, ist es notwendig, die Spannkraft in regelmäßigen Abständen zu kontrollieren.

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