Industrie-Lexikon

Motorspindel

Als Motorspindel (auch Haupt- oder Arbeitsspindel genannt) wird der motorbetriebene Teil einer Werkzeugmaschine bezeichnet, welcher das sich drehende Werkzeug (Bohrer, Fr√§ser, Gewindeschneider, Schleifk√∂rper usw.) oder auch das sich drehende Werkst√ľck h√§lt.

Motorspindeln werden daher in werkzeugtragende und werkst√ľcktragende unterschieden. Werkzeugtragenden Motorspindeln sind in Bohr-, Schleif- und Fr√§smaschinen eingesetzt, werkst√ľcktragende Motorspindeln sind z.B. bei Drehmaschinen zu finden.

Motorspindeln sind pr√§zise gelagerte, meist direktangetriebene Wellen mit einer Werkzeugaufnahme. Diese Werkzeugschnittstelle ist meist f√ľr automatisches Wechseln und Spannen des Werkzeuges konstruiert.

Meist sind Motorspindeln wälzgelagert und werden mit einem Elektromotor angetrieben. Durch den Direktantrieb ist eine Bearbeitung mit hoher Drehzahl möglich.

Die Motorspindel ist die zentrale Baugruppe einer Werkzeugmaschine und ma√ügeblich f√ľr 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√§smaschinen. Auch das High Speed Cutting (HSC), High Performance Cutting (HPC), der Werkzeug- und Formenbau sowie die gesamte spanende Bearbeitung vom Einzelst√ľck bis zur Massenfertigung sind Einsatzgebiete von Motorspindeln.


Aufbau
Der grunds√§tzliche Aufbau von Motorspindeln ist unabh√§ngig vom Hersteller vielfach gleich. Gravierende Unterschiede findet man in Abh√§ngigkeit von der Anwendung, welche sich in die Funktionsklassen Fr√§sspindeln, Werkst√ľckspindeln und Innenschleifspindeln einteilen lassen. Besonders werkst√ľcktragende Motorspindeln haben oft andere Anforderungen.

Geh√§use und K√ľhlung
Die √§u√üere Form der Spindel wird durch die Einbauma√üe 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√ľr ausreichende K√ľhlung des Motors gesorgt werden, wozu sowohl Luft als auch Wasser Verwendung finden. Am h√§ufigsten kommt eine im Geh√§use integrierte Wasserk√ľhlung 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√§fte m√∂glichst wenig zu verbiegen. Die Steifigkeit h√§ngt von Durchmesser, Material und L√§nge der freien Welle ab. Ein gr√∂√üerer Durchmesser f√ľhrt aber wiederum zu einem h√∂heren Massentr√§gheitsmoment, was den Energieaufwand f√ľr die Beschleunigung erh√∂ht. Daneben spielt das dynamische Verhalten der Welle eine wichtige Rolle. Die rotierende Welle stellt mit Antrieb und Lagerung ein schwingungsf√§higes System dar, welches bei Erreichen seiner kritischen Drehzahl instabil werden kann. Zus√§tzlich wird bei immer mehr Werkzeugmaschinen eine innere K√ľhlmittelzufuhr ben√∂tigt. Das K√ľhlmittel bzw. das K√ľhlschmiermittel wird dabei √ľber eine Drehdurchf√ľhrung in eine axiale Bohrung in der Welle bis zum Werkzeug geleitet. Das Werkzeug selber muss kleine Bohrungen enthalten, durch welche das K√ľhlmittel austreten und dadurch auch das Werkst√ľck k√ľhlen kann. Daneben ist oft Druckluft n√∂tig, mit der z. B. Sp√§ne weggeblasen werden k√∂nnen. Die Druckluft gelangt durch eine separate Bohrung in der Welle oder durch die K√ľhlmittelbohrung, aus der das restliche K√ľhlmittel zuvor ausgeblasen wird.

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

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√ľhrung des Tellerfederspanners nach wie vor mit gro√üem Abstand das am h√§ufigsten eingesetzte System. Das L√∂sen des Werkzeuges erfolgt √ľber eine hydraulische oder pneumatische L√∂seeinheit, die im Stillstand gegen die Federkraft dr√ľckt und damit das Werkzeug l√∂st. Werkzeugspanner mit einer Gasdruckfeder sind noch im Erprobungsstadium.

Analog zu werkzeugtragenden Spindeln besitzen werkst√ľcktragende 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√ľssen wegen der erforderlichen hohen Leistungsdichten meist mit Wasser gek√ľhlt werden. Synchronmotoren bieten sich haupts√§chlich bei Spindeln an, die mit niedrigen Drehzahlen hohe Drehmomente umsetzen m√ľssen. Mit ihnen kann bei gleichem Motorvolumen ein deutlich h√∂heres Moment bereitgestellt werden. Synchronmotoren werden auch bei hochdynamischen, schnell laufenden Spindeln bei niedriger Dauerleistung verwendet. Asynchronmotoren sind Standardantriebe f√ľr Spindeln in Bearbeitungszentren mit Drehzahlen bis 20.000 min‚ąí1, bei denen im unteren Bereich mit verh√§ltnism√§√üig hohen Drehmomenten gearbeitet werden muss und trotzdem auch eine ausreichende Leistung bei hohen Drehzahlen gefordert ist.

Lagerung
Die Lager der Welle m√ľssen axiale und radiale Kr√§fte aufnehmen und sollen kein Spiel haben. Im Spindelbau wurden bislang fast ausschlie√ülich Schr√§gkugellager eingesetzt. Schr√§gkugellager k√∂nnen neben Radialkr√§ften auch einseitig wirkende Axialkr√§fte aufnehmen, welche beim Vorschub entstehen. Schr√§gkugellager werden daher immer paarweise eingebaut.

Die hohen Drehzahlen der Welle f√ľhren in den Kugellagern zu hohen Fliehkr√§ften, weswegen inzwischen h√§ufig Hybridkugellager (Kugel aus Keramik, Ringe aus Stahl) eingesetzt werden. Durch die Verwendung von Siliziumnitrid-Keramik bei den Kugeln kann die H√§rte (Druckfestigkeit) erh√∂ht und die Dichte reduziert werden, wodurch die Fliehkraft abnimmt. Wegen der einfachen Handhabung ist der √ľberwiegende Teil der Spindeln nach wie vor dauerfettgeschmiert. Zum Einsatz kommen meist nichttoxische synthetische Fette, deren Grund√∂le dem Lager √ľber eine sehr lange Zeit kontinuierlich zugef√ľhrt werden. F√ľr h√∂here Drehzahlen hat sich jedoch die √Ėlluftschmierung als geeigneter erwiesen. Dabei wird eine extrem kleine Menge hochviskosen √Ėles permanent einem Luftstrom beigef√ľgt, der das √Ėl direkt in das Lager transportiert. N√∂tig ist hierzu eine √Ėlzuf√ľhrungsbohrung in der Spindel sowie ein √Ėlluftaggregat an der Maschine. Trotz des h√∂heren Aufwandes ist die √Ėlluftschmierung im Bereich sehr hoher Drehzahlen unverzichtbar.

Sensorik
Da moderne Motorspindeln in hochproduktiven Maschinen eingesetzt werden, m√ľssen eventuell auftretende Fehlfunktionen fr√ľhzeitig 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√ľberwachung √ľber die Aufzeichnung des Schwingungszustandes bis hin zur Erfassung der genauen Werkzeugposition.

Quelle: Wikipedia

 

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