Spin­del­wis­sen

Die Motor­spin­del

Eine Motor­spin­del ist eine direkt­an­ge­trie­bene präzise gela­gerte Welle mit inte­grier­ter Werk­zeug­schnitt­stelle. Die Motor­spin­del ist eine wich­tige Baugruppe vieler moder­ner Werk­zeug­ma­schi­nen.

Klas­si­sche Motor­spin­del

Meist sind Motor­spin­deln wälz­ge­la­gert und werden elek­trisch ange­trie­ben. Durch die direkte Kopp­lung des Antriebs mit der präzise gela­ger­ten Welle ist eine sehr genaue Bear­bei­tung des Werk­stücks mit hoher Rota­ti­ons­ge­schwin­dig­keit möglich. Zur Bear­bei­tung eines Werk­stücks durch ein Werk­zeug über Rota­tion ist es uner­heb­lich, welches der beiden rotiert. Deshalb werden Motor­spin­deln, ebenso wie Spin­deln allge­mein, in werk­zeug­tra­gende und werk­stück­tra­gende unter­schie­den. Typi­scher­weise werden die werk­zeug­tra­gen­den Motor­spin­deln in Bohr‑, Schleif- und Fräs­ma­schi­nen einge­setzt, die werk­stück­tra­gen­den Motor­spin­deln sind eher bei Dreh­ma­schi­nen zu finden. Neben dem Antrieb und der Lage­rung der Welle zählt die Werk­zeug­schnitt­stelle zu den wich­tigs­ten Kompo­nen­ten einer moder­nen Motor­spin­del. Das Werk­zeug wird auto­ma­tisch gewech­selt und durch ein Spann­sys­tem fixiert. Deshalb ist die Motor­spin­del heut­zu­tage die zentrale Baugruppe einer Werk­zeug­ma­schine und maßgeb­lich für deren Leis­tung und Genau­ig­keit verant­wort­lich. Auf Grund des komple­xen Aufbaus und Zusam­men­spiels der einzel­nen Kompo­nen­ten sind Motor­spin­deln keine Stan­dard­pro­dukte sondern werden nach indi­vi­du­el­len Anfor­de­run­gen entwi­ckelt und produ­ziert. Haupt­ein­satz­be­rei­che der Motor­spin­del sind Bear­bei­tungs­zen­tren und CNC-Werk­zeug­ma­schi­nen aus den Berei­chen der Dreh-, Schleif- und Fräs­ma­schi­nenHSCHPC, Werk­zeug- und Formen­bau, sowie der Auto­mo­bil­pro­duk­tion und der Luft­fahrt.

Geschichte

Die Spin­del (auch Haupt- oder Arbeits­spin­del genannt) ist ein histo­risch gewach­se­ner Begriff der in Bezug auf Werk­zeug­ma­schi­nen eine Welle mit inte­grier­ter Schnitt­stelle zur Aufnahme eines Werk­stücks oder eines Werk­zeugs bezeich­net. Diese Welle führt eine Rota­ti­ons­be­we­gung aus um das Werk­stück durch das Werk­zeug zu bear­bei­ten, wobei je nach Anwen­dung entwe­der das Werk­zeug (z. B. Fräs­ma­schine) oder das Werk­stück (z. B. Dreh­ma­schine) rotiert. Die gestie­ge­nen Anfor­de­run­gen an Werk­zeug­ma­schi­nen, vorran­gig im Bereich der Hoch­ge­schwin­dig­keits­zer­spa­nung, mach­ten es in den 80er Jahren nötig, die werk­zeug­tra­gen­den Spin­deln direkt anzu­trei­ben um eine präzi­sere Bear­bei­tung bei höhe­ren Rota­ti­ons­ge­schwin­dig­kei­ten zu ermög­li­chen. Die zu dieser Zeit einset­zen­den rasan­ten Entwick­lun­gen in den Berei­chen der Werk­zeug­geo­me­trien und ‑mate­ria­lien erlaub­ten bei der spanen­den Bear­bei­tung höhere Schnitt­ge­schwin­dig­kei­ten, was in höhe­ren Rota­ti­ons­ge­schwin­dig­kei­ten resul­tierte. Mit den konven­tio­nel­len Antriebs­tech­ni­ken, welche den Antrieb und die Arbeits­spin­del meist durch ein Getriebe und andere Über­tra­gungs­ele­mente koppel­ten, waren diese hohen Geschwin­dig­kei­ten kaum mehr, oder nur mit erheb­lich größe­rem Aufwand, zu gewähr­leis­ten. Paral­lel dazu wurden die ersten dreh­zahl­va­ria­blen Elek­tro­mo­to­ren entwi­ckelt, die zusam­men mit den Fort­schrit­ten bei Kugel­la­gern und Frequenz­um­rich­tern zur Entwick­lung der Motor­spin­del führ­ten. Um die nöti­gen Dreh­zah­len zu errei­chen war nun kein Getriebe mehr erfor­der­lich und statt­des­sen wurde die Spin­del direkt mit dem Antrieb gekop­pelt. In den 90er Jahren began­nen dann viele Werk­zeug­ma­schi­nen­her­stel­ler aufgrund der Krise in der Bran­che mit dem Outsour­cing ganzer Abtei­lun­gen. Dabei eignete sich die Motor­spin­del als unab­hän­gige Baugruppe sehr gut zur Ausla­ge­rung, wodurch sich Zulie­fe­rer auf die Entwick­lung von Motor­spin­deln spezia­li­sier­ten. Die kompakte Bauform, die einfa­che und sichere Wartung, die gerin­gere Geräusch­emis­sion und die Zulie­fer­be­reit­schaft von Spezi­al­fir­men sind weitere Vorteile der Motor­spin­del, wodurch sich ihr Einsatz­spek­trum inzwi­schen stark erwei­tert hat und nicht mehr nur auf das Feld der Hoch­ge­schwin­dig­keits­be­ar­bei­tung beschränkt.

Aufbau

Der grund­sätz­li­che Aufbau von Motor­spin­deln ist unab­hän­gig vom Herstel­ler viel­fach gleich. Gravie­rende Unter­schiede findet man in Abhän­gig­keit von der Anwen­dung, welche sich in die Funk­ti­ons­klas­sen Fräs­spin­deln, Werk­stückspin­deln und Innen­schleif­spin­deln eintei­len lassen. Beson­ders werk­stück­tra­gende Motor­spin­deln haben oft andere Anfor­de­run­gen.

Gehäuse und Kühlung

Die äußere Form der Spin­del wird durch die Einbau­maße in der Werk­zeug­ma­schine bestimmt. Ein wesent­li­ches Merk­mal von Motor­spin­deln ist ihre kompakte Bauform, was sich posi­tiv auf den Platz­be­darf im Maschi­nen­bau­raum auswirkt. Infol­ge­des­sen muss für ausrei­chende Kühlung des Motors gesorgt werden, wozu sowohl Luft als auch Wasser Verwen­dung finden. Am häufigs­ten kommt eine im Gehäuse inte­grierte Wasser­küh­lung des Stators zum Einsatz

Welle

Das zentrale Element der Motor­spin­del ist die Arbeits­spin­del, eine Welle mit inte­grier­ter Werk­zeug­schnitt­stelle. Die Welle muss steif genug sein, um unter Einwir­kung radia­ler Kräfte nicht zu verbie­gen. Ziel ist eine möglichst hohe Stei­fig­keit, welche prin­zi­pi­ell vom Durch­mes­ser der Welle und vom Mate­rial abhängt. Ein größe­rer Durch­mes­ser führt aber wiederum zu einem höhe­ren Massen­träg­heits­mo­ment, was den Ener­gie­auf­wand für die Beschleu­ni­gung erhöht. Dane­ben spielt das dyna­mi­sche Verhal­ten der Welle eine wich­tige Rolle. Die rotie­rende Welle stellt mit Antrieb und Lage­rung ein schwin­gungs­fä­hi­ges System dar, welches bei Errei­chen seiner Reso­nanz­fre­quenz zu schwe­ren Schä­den führen kann. Zusätz­lich wird bei immer mehr Werk­zeug­ma­schi­nen eine innere Kühl­mit­tel­zu­fuhr benö­tigt. Das Kühl­mit­tel wird dabei über eine Dreh­durch­füh­rung in eine axiale Bohrung in der Welle bis zum Werk­zeug gelei­tet. Das Werk­zeug selber muss kleine Bohrun­gen enthal­ten, durch welche das Kühl­mit­tel austre­ten und dadurch das Werk­zeug kühlen kann. Zur zusätz­li­chen Schmie­rung der Bear­bei­tung können auch Kühl­schmier­mit­tel zum Einsatz kommen. Dane­ben wird immer öfter eine Zufüh­rung von Reini­gungs­luft gefor­dert, mit der etwaige Rück­stände der Bear­bei­tung, z. B. Späne, wegge­bla­sen werden können. Entwe­der durch eine sepa­rate Bohrung in der Welle oder durch Mitver­wen­den der Kühl­mit­tel­boh­rung, wobei das rest­li­che Kühl­mit­tel zuvor ausge­bla­sen werden muss.

Werk­zeug- bzw. Werk­stück­schnitt­stelle

Eine werk­zeug­tra­gende Arbeits­spin­del an einer Werk­zeug­ma­schine ist eigent­lich nur sinn­voll, wenn das Werk­zeug auch gewech­selt werden kann. Moderne Werk­zeug­ma­schi­nen sollen möglichst auto­ma­tisch arbei­ten und somit auch das Werk­zeug auto­ma­tisch wech­seln können. Anfor­de­rung ist deshalb eine so genannte Werk­zeug­schnitt­stelle, die eine sehr hohe Wieder­hol­ge­nau­ig­keit erlaubt, das heißt das glei­che Werk­zeug, welches zwei­mal hinter­ein­an­der einge­spannt wird, soll mit exakt der glei­chen Genau­ig­keit laufen. Diese Genau­ig­keit beim Laufen wirkt sich direkt auf die Genau­ig­keit der Bear­bei­tung aus. Dage­gen führt eine Unge­nau­ig­keit zu einer Unwucht, welche den gesam­ten Prozess beein­flus­sen und bei hohen Rota­ti­ons­ge­schwin­dig­kei­ten schwere Folgen haben kann.

Als Werk­zeug­auf­nahme hat sich im Wesent­li­chen der Steil­ke­gel und der Hohl­schaft­ke­gel durch­ge­setzt. Der Hohl­schaft­ke­gel hat beson­ders bei hohen Dreh­zah­len einige Vorteile, jedoch sind Steil­ke­gel­werk­zeuge bei den Anwen­dern noch immer weit verbrei­tet, weshalb der Steil­ke­gel nach wie vor Verwen­dung findet. Bei hohen Rota­ti­ons­ge­schwin­dig­kei­ten, wie sie zum Beispiel bei Werk­zeug­ma­schi­nen der Auto­mo­bil­in­dus­trie oder HSC-Anwen­dun­gen auftre­ten, wird man fast ausnahms­los Hohl­schaft­ke­gel finden.

Neben der Werk­zeug­auf­nahme besteht die Werk­zeug­schnitt­stelle einer leis­tungs­fä­hi­gen Motor­spin­del aus einem auto­ma­ti­schen Werk­zeug­span­ner, welcher die Aufgabe hat das Werk­zeug an der Spin­del zu fixie­ren. Hier­bei hat man die Wahl zwischen hydro­me­cha­ni­schen oder mecha­ni­schen, d. h. auf Feder­kraft basie­ren­den Syste­men. Dabei ist die robuste Ausfüh­rung des Teller­fe­der­span­ner nach wie vor mit großem Abstand das am häufigs­ten einge­setzte System. Das Lösen des Werk­zeu­ges erfolgt über eine hydrau­li­sche oder pneu­ma­ti­sche Löse­ein­heit, die im Still­stand gegen die Feder­kraft drückt und damit das Werk­zeug löst. Neu auf dem Markt sind Werk­zeug­span­ner mit einer Gasdruck­fe­der, aber diese befin­den sich zurzeit noch im Erpro­bungs­sta­dium.

Analog zu werk­zeug­tra­gen­den Spin­deln besit­zen werk­stück­tra­gende Spin­deln eben­falls eine Schnitt­stelle, welche aber als Spann­fut­ter bezeich­net wird. Das Werk­stück wird jedoch selten auto­ma­tisch gewech­selt, da sich die zu bear­bei­ten­den Werk­stü­cke meist in der äußer­li­chen Form und der damit verbun­de­nen Fixie­rung unter­schei­den.

Antrieb

Einseh­bare Motor­spin­del für Lehr­zwe­cke. Rotor und Stator sind gut zu erken­nen.

Eine weitere wesent­li­che Kompo­nente der Motor­spin­del ist der Antrieb in Form eines Elek­tro­mo­tors. Hier­bei kommt das Wesen der Motor­spin­del als Direkt­an­trieb zum Vorschein, da zwischen Antrieb (Motor) und Abtrieb (Spin­del) kein Getriebe zur Über­set­zung wie bei fremd­an­ge­trie­be­nen Spin­deln vorhan­den ist. Die Motor­aus­le­gung bezüg­lich Rota­ti­ons­ge­schwin­dig­keit und Dreh­mo­ment muss demnach direkt den gewünsch­ten Anfor­de­run­gen der Spin­del entspre­chen.

Die maxi­male Leis­tung eines Motors ist direkt propor­tio­nal zum Stator­vo­lu­men, zugleich ist der Motor eine inte­grierte Kompo­nente und muss sich folg­lich nach den räum­li­chen, meist sehr kompak­ten, Dimen­sio­nen des Spin­del­kas­tens rich­ten. Hinzu kommt das Problem der Abwärme, welche sich mit der Dauer­leis­tung des Motors erhöht und durch eine adäquate Kühlung abge­führt werden muss. Aus diesen Grün­den ist eine Stei­ge­rung der Motor­leis­tung bei gege­be­nen räum­li­chen Verhält­nis­sen nur sehr schwer möglich und stößt schnell an ihre Gren­zen. Im Umkehr­schluss muss aus den gege­be­nen räum­li­chen Verhält­nis­sen ein Opti­mum an Motor­leis­tung abver­langt werden, was die wesent­li­che Aufgabe bei der Konzep­tion des Motors darstellt. Ein Ansatz hier­bei ist die Quali­tät des Strom­si­gnals zu erhö­hen, für die der Frequenz­um­rich­ter verant­wort­lich ist. Durch die Opti­mie­rung des Frequenz­um­rich­ters soll der Strom ein möglichst idea­les sinus­för­mi­ges Signal werden, was die Verlust­leis­tung redu­ziert und die Dauer­leis­tung des Motors erhöht. Welche Art von Motor letzt­end­lich verwen­det wird hängt ganz von der Anwen­dung ab. Synchron­mo­to­ren bieten sich haupt­säch­lich bei Spin­deln an, die mit nied­ri­gen Dreh­zah­len hohe Dreh­mo­mente umset­zen müssen. Hier kann bei glei­chem Motor­vo­lu­men und glei­chem Strom ein deut­lich höhe­res Moment bereit­ge­stellt werden. Eine weitere Anwen­dung für Synchron­mo­to­ren kann bei hoch­dy­na­mi­schen, schnell laufen­den Spin­deln gese­hen werden, welche nied­rige Dauer­leis­tun­gen abge­ben müssen. Asyn­chron­mo­to­ren haben ihre Vorteile insbe­son­dere im Bereich von „Stan­dard­mo­tor­spin­deln“, d. h. Spin­deln für Univer­sal­zen­tren mit Dreh­zah­len bis 20.000 1/min bei denen im unte­ren Bereich mit verhält­nis­mä­ßig hohen Dreh­mo­men­ten gear­bei­tet werden muss und trotz­dem auch eine ausrei­chende Leis­tung bei hohen Dreh­zah­len gefor­dert ist.

Lage­rung

Die Lage­rung der Welle hat eben­falls wesent­li­chen Einfluss auf das Schwin­gungs­ver­hal­ten des Systems und muss den Anfor­de­run­gen entspre­chend ange­passt werden. Im Spin­del­bau wurden bislang fast ausschließ­lich Schräg­ku­gel­la­ger, auch Spin­del­la­ger genannt, einge­setzt. Schräg­ku­gel­la­ger können neben Radi­al­kräf­ten auch einsei­tig wirkende Axial­kräfte aufneh­men, welche durch den Vorschub auftre­ten. Die hohen Rota­ti­ons­ge­schwin­dig­kei­ten der Welle sorgen in den Kugel­la­gern für hohe Flieh­kraft­be­las­tun­gen, weswe­gen inzwi­schen häufig Hybrid­ku­gel­la­ger (Kugel aus Kera­mik, Ringe aus Stahl) einge­setzt werden. Durch die Verwen­dung von Kera­mik (Sili­zi­um­ni­trid) bei den Kugeln kann die Festig­keit erhöht und die Dichte redu­ziert werden, wodurch die Flieh­kraft­be­las­tung abnimmt. Die Schräg­ku­gel­la­ger werden immer paar­weise einge­baut. Je nach Dreh­zahl und mecha­ni­scher Belas­tung werden die Lager unter­schied­lich gepaart, im einfachs­ten Fall in O‑Anordnung. Wegen der einfa­chen Hand­ha­bung ist der über­wie­gende Teil der Spin­deln nach wie vor dauer­fett­ge­schmiert. Zum Einsatz kommen meist nicht­to­xi­sche synthe­ti­sche Fette, deren Grund­öle dem Lager über eine sehr lange Zeit konti­nu­ier­lich zuge­führt werden. Für höhere Dreh­zah­len hat sich jedoch in den letz­ten Jahren die Ölluft­schmie­rung als geeig­ne­ter erwie­sen. Dabei wird eine extrem kleine Menge hoch­vis­ko­sen Öles perma­nent einem Luft­strom beigefügt, der das Öl direkt in das Lager trans­por­tiert. Nötig sind hierzu eine Ölzu­füh­rungs­boh­rung in der Spin­del sowie ein Ölluft­ag­gre­gat an der Maschine. Trotz des höhe­ren Aufwan­des ist die Ölluft­schmie­rung im Bereich sehr hoher Dreh­zah­len zurzeit unver­zicht­bar.

Senso­rik

Da moderne Motor­spin­deln in hoch­pro­duk­ti­ven Maschi­nen einge­setzt werden, müssen even­tu­ell auftre­tende Fehl­funk­tio­nen früh­zei­tig erkannt und an die Maschi­nen­steue­rung weiter­ge­ge­ben werden. Dabei wird neben der Motor­tem­pe­ra­tur auch die Posi­tion des Werk­zeug­span­ners erfasst. Die Verwen­dung von gere­gel­ten Moto­ren macht eine Erfas­sung der Rotor­lage notwen­dig. Neben diesen Stan­dard­sen­so­ren gibt es eine Viel­zahl von Optio­nen, ange­fan­gen von der Lager­tem­pe­ra­tur­über­wa­chung über die Aufzeich­nung des Schwin­gungs­zu­stan­des bis hin zur Erfas­sung der genauen Werk­zeug­po­si­tion.

Quelle: Wiki­pe­dia

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