Industrie-Lexikon

Luftlagerspindel

Eine Luftlagerspindel ist eine direkt angetriebene Welle mit einer Werkzeugschnittstelle, die durch ein Luftlager gelagert ist. Diese Spindeln finden vor allem Verwendung als Hauptspindel in Pr√§zisions-Werkzeugmaschinen, bei der Mikrozerspanung und der Leiterplatten-Bohrindustrie. Durch die ber√ľhrungslose Lagerung lassen sich sehr hohe Drehzahlen erreichen, was gerade in der Mikrozerspanung aufgrund der geringen Werkzeuggr√∂√üe und der damit verbundenen hohen Schnittgeschwindigkeit wichtig ist.


Vorteile von Luftlagerspindeln
Radiale Luftlagerungen k√∂nnen dieselben Steifigkeits- und gar bessere D√§mpfungswerte als W√§lzlagerungen erzielen sofern sie korrekt ausgelegt sind. Der nur wenige Mikrometer gro√üe Luftspalt eines Luftlagers jedoch besitzt durch die Eigenschaften der Luft einen Ausgleichseffekt gegen√ľber Form- und Gr√∂√üenfehlern der Welle oder des Lagers, der eine resultierende Genauigkeit erlaubt, die besser ist als die der Einzelkomponenten. Luftlagerspindeln besitzen eine um ca. Faktor zehn bessere Asynchrongenauigkeit gegen√ľber W√§lzlagerspindeln und eine um ca. Faktor zwei bessere Synchrongenauigkeit. Somit k√∂nnen Steifigkeit und D√§mpfung von Luftlagerungen mit denen von W√§lzlagerungen durchaus konkurrieren, bieten aber radiale Fehlerbewegungen von teils weniger als 12 nm und axiale teils unter 10 nm, selbst bei Drehzahlen √ľber 50.000/min und Relativgeschwindigkeiten von bis zu 250 m/s. Bei geringen Gleitgeschwindigkeiten sind Luftlagerungen zudem extrem reibungsarm und schmiermittelfrei, was ihren Einsatz bei zum Beispiel bei Navigationssystemen und in der Lebensmittelindustrie erkl√§rt.

- kleinere Synchron- und entscheidend kleinere Asynchronfehler axial und radial
Durch den Ausgleicheffekt des Mediums (Luft, z.B.) zwischen Lager und bewegter Welle werden Rotationsbewegungen erzeugt, die genauer sind als die Genauigkeiten der Summe der Einzelteile. Deshalb weisen Luftlagerspindeln im Vergleich zu W√§lzlagern um einige Faktoren bessere Asynchron- und Synchronfehler auf, die Fehler von Lagerbahnen und allen Kugeln hart √ľbertragen. Asynchronfehler von weniger als 10 nm sind bei langsam drehenden Spindelsystemen ohne H√ľrden m√∂glich

- höhere Drehzahlen
Neben kleineren Synchron- und Asynchronfehlern ist das charakteristischste Merkmal von Luftlagerspindeln die im Vergleich zum Wellendurchmesser von Wälzlagerspindeln erheblich höheren Drehzahlgrenzen. Schergeschwindigkeiten von 200 m/s in Radiallagern und 450 m/s in Axiallagern sind ohne Probleme zu realisieren.

- Höchstdrehzahl ohne zeitliche Begrenzung Рzuverlässig stationärer Betrieb
W√§lzlagerspindeln k√∂nnen nicht im Dauerbetrieb auf Nenndrehzahl betrieben werden und antworten hierbei mit hei√ü werdenden Lagern, steigendem Laufger√§usch und letztendlichem Ausfall. F√ľr die immer h√§ufiger vorkommenden Applikationen mit Bearbeitungszeiten von Stunden bis Wochen bei h√∂chsten Drehzahlen sind Luftlagerspindeln die perfekte Antwort, mit strikt konstanten Betriebsbedingungen und praktisch keinem Zeitlimit f√ľr den Dauerbetrieb bei Nenndrehzahl.

- extrem kurze Rampenzeiten
Während bei Wälzlagerspindeln die Beschleunigungs- und Bremsrampenzeiten durch den Lagerkäfig begrenzt werden, begrenzt bei dynamisch gut ausgelegten Luftlagerspindeln lediglich der Maximalstrom des Motors die Beschleunigungs- und Bremswerte.

- keine Vorschmierzeit – unmittelbarer Betrieb
W√§hrend W√§lzlagerspindeln eine Vorschmierzeit von teils Minuten vor ihrem Betrieb und teils nach einer gewissen Betriebsdauer ben√∂tigen, ist eine Luftlagerspindel mit Anschalten von Lagerluft, K√ľhler und Umrichter

- direkt voll einsatzbereit.
extrem kleines axiales Wellenwachstum √ľber Drehzahl
Ben√∂tigt das Wellenwachstum von teils 50-100 ¬Ķm bei W√§lzlagerspindeln eine L√§ngenkompensation √ľber die Maschinensteuerung, erlaubt eine richtig ausgelegte Luftlagerspindel mit 1-5 ¬Ķm f√ľr die meisten Applikationen einen Verzicht auf eine solche.

- einfacher Aufbau und extrem kurze Reparaturzeiten
Zwar ist eine Luftlagerspindel ähnlich belastbar wie eine Wälzlagerspindel, während jedoch Wälzlagerspindeln bei Überlast mit lauten Lagergeräuschen, höheren Lagertemperaturen und fehlenden Genauigkeiten antworten, blockieren meist die Wellen von Luftlagerspindeln.

- √∂l-, fett- und ber√ľhrungsloser Betrieb
Kein Fett, kein √Ėl, kein Verschlei√ü. Dies macht die Luftlagerspindel bei sachgerechter Behandlung prinzipiell wartungsfrei und erlaubt die Verwendung in gashaltiger und/oder reinraum√§hnlicher Umgebung oder zum Beispiel der Lebensmittelindustrie. Hier kann das umgebende Gas – z.B. CO2 – auch als Lagermedium verwendet werden.

- keine Anti-Statik Maßnahmen
Die allgemein verbreitete Verwendung von Keramik-W√§lzk√∂rpern (Hybrid-W√§lzlager) verlangt zur Vermeidung von Funkenbildung zwischen Werkzeug und Werkst√ľck bei W√§lzlagerspindeln Anti-Statik-Ma√ünahmen wie B√ľrsten oder √úberschlagsdornen. Aufgrund der immensen Fl√§che zwischen Welle und Lager sowie dem nur wenige Mikrometer gro√üen Spalten leiten Luftlagerspindeln √ľber den sich ergebenden Kondensator diese Energien √ľber die Lager und damit an den Schutzleiter weiter und machen die Verwendung von Anti-Statik-Ma√ünahmen generell √ľberfl√ľssig.

- kein axiales R√ľckhaltesystem beim Werkzeugwechsel
Wälzlager verlangen ein äußerst kompliziertes Fangsystem, welches die axialen Kräfte beim Werkzeugwechsel aufnimmt, um die Spindellager nicht zu beschädigen. Der Axiallagerteller von Luftlagerspindeln jedoch ist derart groß, dass dieser sich beim Werkzeugwechsel einfach anlegt, bei äußerst kleinen Flächenpressungen.


Drosselung
Am folgenden Beispiel (lagerinduzierte Eigenfrequenzmoden) soll er√∂rtert werden, warum eine Drosselung des Zuf√ľhrdrucks in den Lagerspalt eines statischen Luftlagers so wichtig und leistungsentscheidend ist. In der gezeigten Stabilit√§ts- und Resonanzanalyse ist die Welle zwischen oberem und unterem Lagerrand im geometrischen als auch physikalischen Gleichgewicht. Es herrscht rundum Druck pm=pm1=pm2 zwischen den D√ľsenreihen. Durch eine St√∂rung – zum Beispiel Zerspankraft – verlagert sich die Welle nun gem√§√ü Abbildung und erzeugt unterschiedlich gro√üe Spalte H1 und H2.

W√ľrde der Zuf√ľhrdruck P0 nun ungedrosselt in den Lagerspalt geleitet, w√ľrde √ľber den Umfang √ľberall der gleiche Druck und somit Kraft herrschen. Eine R√ľckstellkraft entgegen der "St√∂rung" w√ľrde somit fehlen, das Lager h√§tte keine Funktion. Durch analytisch und iterativ berechnete und optimierte D√ľsen – gespeist durch den Zuf√ľhrdruck p0 – wird ein Zwischendruck pm(H,p0...) nach der D√ľse erzeugt, der mitunter abh√§ngig ist von der Lagerspaltdicke H unmittelbar nach der D√ľse. Ergo, je kleiner der Lagerspalt nach der jeweiligen D√ľse, desto h√∂her der Zwischendruck pm,nach der D√ľse und damit auch die Druckkraft. Somit ist bei einer Verlagerung der Welle durch St√∂rung eine wegabh√§ngige R√ľckstellkraft und somit auch Steifigkeit – also R√ľckstellkraft√§nderung mit Verlagerung – gew√§hrleistet.

Dynamik und Stabilität[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]
Ein statisches Luftlager besitzt eine externe Druckversorgung und generiert nach dem Prinzip der spaltabh√§ngigen Drosselung Tragkraft, Steifigkeit und D√§mpfung, wobei hierbei die Welle durch den Lagerspalt angekoppelt ist und mit ihren polaren und transversalen Tr√§gheitsmomenten und ihrer Masse, abstrakt gesprochen, ein Feder-Masse-D√§mpfer-System darstellt. Dementsprechend existieren demnach auch lagerinduzierte Eigenfrequenzen, sprich, sto√üe ich die Welle an, schwingt diese mit der lagerabh√§ngigen Systemeigenfrequenz, wobei die Amplitude wiederum durch die D√§mpfung bestimmt wird. Das impliziert auch, dass zum Beispiel ein luftgelagertes Spindelsystem von Natur aus ein schwingungsf√§higes System mit den Moden ‚Äězylindrisch“ und ‚Äěkonisch“ darstellt, wobei der Drehpunkt des konischen Modus stets durch den Massenmittelpunkt der Welle geht. Diese Eigenfrequenzen jedoch h√§ngen von den Lagersteifigkeiten ab, die wiederum sowohl von der Lagerspaltweite bzw. -form als auch von aerodynamischen Effekten bei Drehzahl abh√§ngt. Somit ver√§ndert eine Spindel mit Drehzahl ihre Steifigkeit und somit auch die lagerinduzierten Eigenfrequenzen. Diese Eigenfrequenzen m√ľssen aus zwei Gr√ľnden bekannt sein, zum einen, um Drehfrequenzen der Spindel in der N√§he dieser Eigenfrequenzen aufgrund von Vibrationen (√úberh√∂hung) zu vermeiden, und um eine Stabilit√§tsanalyse anfertigen zu k√∂nnen.

Halbfrequenzwirbel
Hier ergibt sich nun ein sehr entscheidender Unterschied zu W√§lzlagerungen, denn bei Luftlagern, sei es statischer oder dynamischer Natur, existiert der Zustand des Halbfrequenzwirbels, der unbedingt zu vermeiden und somit im Vorfeld zu berechnen ist. Der Halbfrequenzwirbel ist eine Instabilit√§t von Luftlagern, bei der die Welle anf√§ngt, mit halber Drehfrequenz gegen die Drehrichtung zu r√ľhren. Dieser Zustand stellt sich ein, erreicht die Drehfrequenz und somit die drehfrequente Anregung mit der Unwucht das Doppelte der momentan herrschenden ersten Systemeigenfrequenz. Physikalisch gesehen ist dies der Zustand, bei dem die D√§mpfung Null wird und die Amplituden somit unendlich.

Neben den lagerinduzierten starrkritischen Eigenfrequenzen existiert noch die biegekritische Eigenfrequenz der Welle selbst. Jedes Material besitzt einen E-Modul, der bildlich gesprochen einer Federrate entspricht. Somit ist – vergleichbar mit einer Stimmgabel – auch die Welle ein schwingungsf√§higes System. Erreicht man mit der Drehfrequenz die Frequenz der biegekritischen Eigenfrequenz, f√§ngt die Welle derart an zu schwingen, dass Luftlager aufgrund der engen Lagerspalte und geringen D√§mpfung als auch Kugellagerl√∂sungen hier versagen. Fluidlager jedoch besitzen gen√ľgend D√§mpfung und gen√ľgend gro√üe Lagerspalte, um diese biegekritische Eigenfrequenz zu durchfahren. Eine luftgelagerte Welle wird somit hinreichend unterhalb der konischen/zylindrischen Starrkritischen, aber notwendigerweise unter der Halbfrequenzkritischen und der ersten Biegekritischen betrieben. Fluidgelagerte Spindeln oder Anlagen k√∂nnen jedoch durchaus zwischen der ersten und zweiten Biegekritischen betrieben werden.

Quelle: Wikipedia

 

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