Spindeltechnik zum Genießen
Werkzeugmaschinen und ihr Herz
Auf Bearbeitungszentren oder Dreh-Fräszentren werden heute weitgehend Hochfrequenzspindeln eingesetzt. Hier gibt es ein sehr breites Angebot an verschiedenen Modellen, aber auch sehr unterschiedliche technische Fakten und ebenso klare Qualitätsunterschiede. Das Unternehmen Diebold unterstützt seit Jahren den Trend zu schnelleren Maschinen mit hochwertigen Spindelprodukten. Diese bieten dank ihrer Qualitäten und Drehzahlbereiche viel Spielraum, um deutlich höherwertigere Teile aller Dimensionen zu fertigen.
Die klassischen Maschinen für Produktion, Formenbau und Aerospace arbeiten mit Spindeln im eher niedrigen Drehzahlbereich bis 24 000 U/min, aber mit ansprechenden Leistungen oberhalb 15 kW. Formenbauer sind bei 42 000 U/min angekommen. Für die Mikrobearbeitung, Dentaltechnik, Optik und Medizintechnik sind Drehzahlen über 50 000 U/min gefordert.
Die dafür entwickelten Maschinen können deutlich genauer und schneller positionieren als Standardmaschinen, die man bei den klassischen Fräsanwendungen einsetzt. Heute kann man in einer irren Geschwindigkeit mehrachsig fräsen und dabei Positioniergenauigkeiten im mµ-Bereich erreichen. Dazu sind jedoch fein abgestimmte Achsen und Schlittenantriebe der Maschine notwendig. Ebenso ein perfektes Spindelsystem bis hin zur Werkzeugaufnahme und den Schneidwerkzeugen.
Hier sind Spindelkonzepte erforderlich, die in einer höheren Genauigkeitsklasse angesiedelt sind. Die Motoren für Spindeln über 50 000 U/min, die Werkzeugspannsysteme, die Drehdurchführungen für die Versorgung mit Kühlmittel oder MMS sind deutlich filigraner als bei den klassischen Zerspanungsfällen. Viele Anwender kommen mit ihren vorhandenen Maschinen an technologische Grenzen mit den bisher eingesetzten Spindelsystemen. In vielen Fällen kann man problemlos nicht mehr geeignete Spindelsysteme durch höherwertige Technologie ersetzen, ohne gleich in neue Anlagen investieren zu müssen.
Genauigkeit aus Schwaben
Das Unternehmen Diebold führt in seinem Spindelprogramm bereits einige Spindelmodelle, die diesen Anforderungen gerecht werden. Worin unterscheiden sich solche Spindeln von den bekannten Standards? Zum Beispiel darin, dass alle Komponenten der Hochfrequenzspindel außerordentlich genau gefertigt sein müssen, damit insgesamt die Einzeltoleranzen der Bauteile sich nicht zu Fehlern summieren die dem Gesamtprodukt abträglich sind. Leicht gesagt, aber wie kann man das realisieren?
Die Lösung für das Erreichen dieses Qualitätsniveaus ist ›Effizienz in der Genauigkeitsfertigung‹ durch Klimatisierung. Dies hat Diebold realisiert, damit die Fertigung die genannten Vorgaben der Konstrukteure in hochgenaue Teile umsetzen kann. In der Dieboldschen Produktion ist die Temperatur konstant auf 21 Grad eingestellt, die mit einer minimal zulässigen Schwankung eingehalten wird. Die Feinmessräume sind in diesem Konzept integriert und die Montage der Spindeln findet in einem Sauberraum statt. Somit verlassen die Hochgenauigkeitsteile in ihrem Werdegang nie die Klimazone. Diese Produktionsweise dürfte in ihrer Konsequenz für eine Spindelfertigung in Europa einzigartig sein.
Um über die Gesamtheit der komplexen Teile einer Hochfrequenzspindel die bestmöglichen Genauigkeiten garantieren zu können, sind hochgenaue Messmaschinen und fertigungsbegleitendes Messen die Grundvoraussetzung für die Erzielung guter Genauigkeiten der Gehäuse, der Spindel-Wellenteile, der Lagerflansche und der Abstimmringe. Für das Messen der Spindelkegel hat Diebold geniale elektromechanische Messdorne entwickelt, die eine Auswertegenauigkeit von sagenhaften 0.0001 mm bieten. So bleiben messtechnisch gesehen keine Wünsche mehr offen.
Nicht zuletzt hat die fertigungstechnische Genauigkeit der Spindelbauteile auch einen entscheidenden Einfluss auf die Unwucht der Spindeleinheit. Eine Wuchtqualität der rotierenden Teile von G1 ist keine Selbstverständlichkeit, bei Diebold aber die Voraussetzung für eine qualitätsmäßige Abnahme einer montierten Hochfrequenzspindel.
Präzision erzeugt Präzision
Hochfrequenzspindeln werden vorwiegend mit Wälzlagern betrieben, daher kommt der Qualität dieser Lager eine besondere Bedeutung zu. So werden bei Diebold nur besonders zertifizierte und kontrollierte Kugellager verbaut. Diese Kugellager sind wichtigste Voraussetzung für schwingungsarmes Arbeiten der Spindeln und garantieren eine lange Spindellebensdauer.
Einen weiteren Einfluss auf das Schwingverhalten der Spindel haben die automatischen Spannsysteme. Wurde bisher mit einem Federpaket gespannt, so sind bei Diebold Spannsysteme entwickelt worden, die teilweise oder ganz auf diese Spannfeder verzichten können. Der Entwicklungsgrund: Spiral- oder Tellerfedern sind sehr „lebhafte“ Bauteile, die sich ab bestimmten Drehzahlen wuchttechnisch nicht mehr beherrschen lassen.
Ein weiterer Einfluss auf das Verhalten einer Spindel kommt vom Elektromotor, der auf die Welle aufgeschrumpft ist und in die Spindel eingebaut wird. Die Wärme des Motors muss idealerweise über eine Wasserkühlung abgeführt werden. Eine Ölkühlung ist zwar möglich, jedoch wärmetechnisch nicht so effizient. Bei Diebold wurden daher spezielle Kühlkreisläufe entwickelt, die bewirken, dass sich das wärmebedingte Wachstum der Spindel möglichst gering auf die Längendehnung oder die radiale Verformung auswirkt.
Die radiale Wärmeveränderung ist durchaus beherrschbar, wenn die Wasserkühlung technisch optimal ausgeführt wird. In einer Hochgenauigkeitsmaschine kann eine ungünstige Kühlung der Spindeln durchaus einen Fehler von zwei Mikrometer im geometrischen Verhalten der Anlage bedeuten, was entweder gar nicht oder nur schwer elektronisch zu kompensieren ist.
Eigene Messmittel als Trumpf
Die Passgenauigkeit von Spindel- und Werkzeugkegel sind in der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung von entscheidender Bedeutung. Daher stellt Diebold nicht nur Motorfrässpindeln und HSK-Aufnahmen her, sondern auch präzise Messmittel für das Vermessen der Spindel- beziehungsweise Werkzeugkegel. Dank der großen Erfahrung sowohl auf der Spindel- als auch auf der Werkzeugseite und der Entwicklung von Systemen für die Kalibrierung und Zertifizierung von HSK-Kegeln kann man bei Diebold genaueste HSK-Schnittstellen in zertifizierter Qualität produzieren.
Dies klingt alles sehr einfach, aber wenn man sich perfekt innerhalb der engen Toleranzen der DIN/ISO-Normen für HSK bewegen will, müssen einige wichtige Voraussetzungen gegeben sein:
- Eine klimatisierte Fertigung
- Messgeräte, die in der Lage sind, unter einem Mikrometer zuverlässig und dauerhaft zu messen
- Fertigungsanlagen, die solche Toleranzen ermöglichen.
Und nicht zuletzt sind Mitarbeiter erforderlich, die die Erfahrung haben, diese Qualitäten zu fertigen und zu dokumentieren. Das Minimieren und das Einhalten dieser geringen Fertigungstoleranzen machen HSK-Werkzeuge und Spindeln von Diebold einzigartig.
Die Kegelmeßgeräte von Diebold sind weltweit überall dort im Einsatz, wo qualitativ hochwertige HSK-Werkzeuge hergestellt werden. Und trotzdem unterscheiden sich die von Diebold erzielten Toleranzen in ihrer Gesamtheit von vielen Produkten, die von Marktbegleitern angeboten werden. Am Auffälligsten zeigt sich dies, wenn die Anwender wirklich in der Hochgenauigkeitsfertigung, der Mikrobearbeitung oder der optischen Industrie unterwegs sind.
Hier wird ein auf den ersten Blick unscheinbares Bauteil, ein Werkzeughalter, zum entscheidenden Mittel zum Zweck, wenn es auf das Erreichen von engen Toleranzen am Werkstück ankommt. Viele Prozesse funktionieren gar nicht wenn der Kegelwinkel, die Plananlage oder die Innenkontur des Werkzeugs nicht wenigstens in der ISO-Toleranz sind. HSK-Kegel sind überbestimmt und müssen durch die Spannkraft verformt werden, damit das Werkzeug auf Plananlage gezogen wird.
Überraschende Erkenntnis
Wenn der Spindel- und der Werkzeugkegel an der oberen ISO-Toleranz liegen, dann gehen 35 Prozent der Spannkraft gegen die Plananlage verloren. In diesem Fall werden Prozesse spätestens in der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung instabil und das Werkzeug fängt an zu schwingen. Schlechte Oberflächen und geringe Standzeit der Werkzeuge sind die Folge. Langfristig wird zudem die Lagerung der Spindel Schaden nehmen.
Die hochgenauen Spindeln von Diebold werden dank ihrer Präzision bereits in verschiedensten Maschinen des Formenbaus, bei der Mikrobearbeitung und in der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung eingesetzt. Zwei Beispiele sollen hier genannt werden: Eine Anwendung in der Schmuckindustrie und eine Anwendung in der Uhrenindustrie bei einem namhaften Schweizer Uhrenhersteller. Bei der Anwendung in der Schmuckindustrie werden auch Trauringe bearbeitet.
Zuerst werden die Sitze für die Aufnahme der Edelsteine gefräst, dann mit Hilfe einer Vakuumansaugung durch die Spindel die Edelsteine mit der Spindel einem Magazin entnommen, in die Ausfräsungen eingesetzt und mit Hilfe eines Spezialwerkzeugs verstemmt.
Beim Uhrenhersteller wird zusätzlich noch eine Optik eingesetzt, die dafür sorgt, dass die Edelsteine perfekt gleichmäßige entsprechend ihrer Oberflächenstruktur ausgewählt, ausgerichtet und eingesetzt werden, damit beim Bewegen der Uhr am Arm die Edelsteine gleichartig schimmern. Man kann sich streiten, ob man so etwas braucht, aber die Technik gibt es her und die Kundschaft gönnt sich das.
Mehr Informationen zu Diebold:
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Diebold Goldring Werkzeuge GmbH & Co. |
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An der Sägmühle 4 |
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72417 Jungingen |
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Telefon 07477 871-0 |
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Fax 07477 871-30 |
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E-Mail: kontakt@hsk.com |
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www.hsk.com |
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