Industrie-Lexikon

Motorspindel

Als Motorspindel (auch Haupt- oder Arbeitsspindel genannt) wird der motorbetriebene Teil einer Werkzeugmaschine bezeichnet, welcher das sich drehende Werkzeug (Bohrer, Fr├Ąser, Gewindeschneider, Schleifk├Ârper usw.) oder auch das sich drehende Werkst├╝ck h├Ąlt.

Motorspindeln werden daher in werkzeugtragende und werkst├╝cktragende unterschieden. Werkzeugtragenden Motorspindeln sind in Bohr-, Schleif- und Fr├Ąsmaschinen eingesetzt, werkst├╝cktragende Motorspindeln sind z.B. bei Drehmaschinen zu finden.

Motorspindeln sind pr├Ązise gelagerte, meist direktangetriebene Wellen mit einer Werkzeugaufnahme. Diese Werkzeugschnittstelle ist meist f├╝r automatisches Wechseln und Spannen des Werkzeuges konstruiert.

Meist sind Motorspindeln w├Ąlzgelagert und werden mit einem Elektromotor angetrieben. Durch den Direktantrieb ist eine Bearbeitung mit hoher Drehzahl m├Âglich.

Die Motorspindel ist die zentrale Baugruppe einer Werkzeugmaschine und ma├čgeblich f├╝r deren Leistung und Genauigkeit. 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 sogenannte Bearbeitungszentren (Kombination verschiedener Verfahren in einer Maschine) und CNC-Dreh-, -Schleif- und -Fr├Ąsmaschinen. Auch das High Speed Cutting (HSC), High Performance Cutting (HPC), der Werkzeug- und Formenbau sowie die gesamte spanende Bearbeitung vom Einzelst├╝ck bis zur Massenfertigung sind Einsatzgebiete von Motorspindeln.


Aufbau
Der grunds├Ątzliche Aufbau von Motorspindeln ist unabh├Ąngig vom Hersteller vielfach gleich. Gravierende Unterschiede findet man in Abh├Ąngigkeit von der Anwendung, welche sich in die Funktionsklassen Fr├Ąsspindeln, Werkst├╝ckspindeln und Innenschleifspindeln einteilen lassen. Besonders werkst├╝cktragende Motorspindeln haben oft andere Anforderungen.

Geh├Ąuse und K├╝hlung
Die ├Ąu├čere Form der Spindel wird durch die Einbauma├če in der Werkzeugmaschine bestimmt. Ein wesentliches Merkmal von Motorspindeln ist ihre kompakte Bauform, was sich positiv auf den Platzbedarf im Maschinenbauraum auswirkt. Infolgedessen muss f├╝r ausreichende K├╝hlung des Motors gesorgt werden, wozu sowohl Luft als auch Wasser Verwendung finden. Am h├Ąufigsten kommt eine im Geh├Ąuse integrierte Wasserk├╝hlung 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 sich durch radiale Kr├Ąfte m├Âglichst wenig zu verbiegen. Die Steifigkeit h├Ąngt von Durchmesser, Material und L├Ąnge der freien Welle ab. Ein gr├Â├čerer Durchmesser f├╝hrt aber wiederum zu einem h├Âheren Massentr├Ągheitsmoment, was den Energieaufwand f├╝r die Beschleunigung erh├Âht. Daneben spielt das dynamische Verhalten der Welle eine wichtige Rolle. Die rotierende Welle stellt mit Antrieb und Lagerung ein schwingungsf├Ąhiges System dar, welches bei Erreichen seiner kritischen Drehzahl instabil werden kann. Zus├Ątzlich wird bei immer mehr Werkzeugmaschinen eine innere K├╝hlmittelzufuhr ben├Âtigt. Das K├╝hlmittel bzw. das K├╝hlschmiermittel wird dabei ├╝ber eine Drehdurchf├╝hrung in eine axiale Bohrung in der Welle bis zum Werkzeug geleitet. Das Werkzeug selber muss kleine Bohrungen enthalten, durch welche das K├╝hlmittel austreten und dadurch auch das Werkst├╝ck k├╝hlen kann. Daneben ist oft Druckluft n├Âtig, mit der z. B. Sp├Ąne weggeblasen werden k├Ânnen. Die Druckluft gelangt durch eine separate Bohrung in der Welle oder durch die K├╝hlmittelbohrung, aus der das restliche K├╝hlmittel zuvor ausgeblasen wird.

Werkzeug- bzw. Werkst├╝ckschnittstelle
Eine werkzeugtragende Arbeitsspindel an einer Werkzeugmaschine ist eigentlich nur sinnvoll, wenn das Werkzeug auch gewechselt werden kann. Moderne Werkzeugmaschinen sollen m├Âglichst automatisch arbeiten und somit auch das Werkzeug automatisch wechseln k├Ânnen. Die Werkzeugschnittstelle muss sehr hohe Wiederholgenauigkeit haben, das hei├čt, das gleiche Werkzeug, welches zweimal hintereinander eingespannt wird, soll mit m├Âglichst der gleichen Position laufen. Diese Genauigkeit wirkt sich direkt auf die Genauigkeit der Bearbeitung aus. Ungenaues Spannen kann auch zu einer Unwucht f├╝hren.

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 Drehzahlen wird man fast ausnahmslos Hohlschaftkegel finden.

Zum Spannen dient ein Werkzeugspanner, welcher die Aufgabe hat, das Werkzeug nach dem Einsetzen zu fixieren. Es gibt hydromechanische und mechanische, d. h. mit Federkraft arbeitende Systeme. Dabei ist die robuste Ausf├╝hrung des Tellerfederspanners nach wie vor mit gro├čem Abstand das am h├Ąufigsten eingesetzte System. Das L├Âsen des Werkzeuges erfolgt ├╝ber eine hydraulische oder pneumatische L├Âseeinheit, die im Stillstand gegen die Federkraft dr├╝ckt und damit das Werkzeug l├Âst. Werkzeugspanner mit einer Gasdruckfeder sind noch im Erprobungsstadium.

Analog zu werkzeugtragenden Spindeln besitzen werkst├╝cktragende Spindeln ebenfalls eine Schnittstelle - das Spannfutter.

Antrieb.
Ein Elektromotor treibt die Spindel direkt an. Dessen Drehzahl und Drehmoment gleichen daher denen der Spindel. Die Motoren m├╝ssen wegen der erforderlichen hohen Leistungsdichten meist mit Wasser gek├╝hlt werden. Synchronmotoren bieten sich haupts├Ąchlich bei Spindeln an, die mit niedrigen Drehzahlen hohe Drehmomente umsetzen m├╝ssen. Mit ihnen kann bei gleichem Motorvolumen ein deutlich h├Âheres Moment bereitgestellt werden. Synchronmotoren werden auch bei hochdynamischen, schnell laufenden Spindeln bei niedriger Dauerleistung verwendet. Asynchronmotoren sind Standardantriebe f├╝r Spindeln in Bearbeitungszentren mit Drehzahlen bis 20.000 minÔłĺ1, bei denen im unteren Bereich mit verh├Ąltnism├Ą├čig hohen Drehmomenten gearbeitet werden muss und trotzdem auch eine ausreichende Leistung bei hohen Drehzahlen gefordert ist.

Lagerung
Die Lager der Welle m├╝ssen axiale und radiale Kr├Ąfte aufnehmen und sollen kein Spiel haben. Im Spindelbau wurden bislang fast ausschlie├člich Schr├Ągkugellager eingesetzt. Schr├Ągkugellager k├Ânnen neben Radialkr├Ąften auch einseitig wirkende Axialkr├Ąfte aufnehmen, welche beim Vorschub entstehen. Schr├Ągkugellager werden daher immer paarweise eingebaut.

Die hohen Drehzahlen der Welle f├╝hren in den Kugellagern zu hohen Fliehkr├Ąften, weswegen inzwischen h├Ąufig Hybridkugellager (Kugel aus Keramik, Ringe aus Stahl) eingesetzt werden. Durch die Verwendung von Siliziumnitrid-Keramik bei den Kugeln kann die H├Ąrte (Druckfestigkeit) erh├Âht und die Dichte reduziert werden, wodurch die Fliehkraft abnimmt. Wegen der einfachen Handhabung ist der ├╝berwiegende Teil der Spindeln nach wie vor dauerfettgeschmiert. Zum Einsatz kommen meist nichttoxische synthetische Fette, deren Grund├Âle dem Lager ├╝ber eine sehr lange Zeit kontinuierlich zugef├╝hrt werden. F├╝r h├Âhere Drehzahlen hat sich jedoch die ├ľlluftschmierung als geeigneter erwiesen. Dabei wird eine extrem kleine Menge hochviskosen ├ľles permanent einem Luftstrom beigef├╝gt, der das ├ľl direkt in das Lager transportiert. N├Âtig ist hierzu eine ├ľlzuf├╝hrungsbohrung in der Spindel sowie ein ├ľlluftaggregat an der Maschine. Trotz des h├Âheren Aufwandes ist die ├ľlluftschmierung im Bereich sehr hoher Drehzahlen unverzichtbar.

Sensorik
Da moderne Motorspindeln in hochproduktiven Maschinen eingesetzt werden, m├╝ssen eventuell auftretende Fehlfunktionen fr├╝hzeitig 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 Lagertemperatur├╝berwachung ├╝ber die Aufzeichnung des Schwingungszustandes bis hin zur Erfassung der genauen Werkzeugposition.

Quelle: Wikipedia

 

 

Folgen Sie Industrie-Schweiz auf Twitter

Folgen Sie Industrie-Schweiz auf Facebook

Treten Sie der Gruppe Industrie Schweiz auf XING bei

Folgen Sie Industrie-Schweiz auf Linkedin

Das Industrie Portal f├╝r die Schweizer Maschinen-, Elektro- und Metall Industrie

 

 


Industrie Waagen
Vom Feuchtebestimmer bis zur Paketwaage. In der Industrie werden alle Arten von Waagen eingesetzt.

PCE - KranwaageMehr Infos


PCE-CS Serie
Industriewaage
  

PCE Deutschland GmbH

 

igus® Schweiz GmbH

 

Industrie-Schweiz - das Internetportal f├╝r die
Schweizer Maschinen-, Elektro- und Metall-Industrie

 


 


 


 

 


 

MTS Messtechnik Schaffhausen GmbH

Startseite Startseite
 Suchen    

Partner-Websites:     Kunststoff-Schweiz           Kunststoff-Deutschland           Schweizer-MedTech           Schweizer-Verpackung      

Suchen

×

MENÜ:           Branchen−Infos                             Messe−Spezials                             Fach−Infos                             Service