Ausgangssituation
Die Hauptspindel ist eine zentrale Baugruppe einer spanenden Werkzeugmaschine und direkt für die Bearbeitungsqualität sowie Fertigungsgenauigkeit und damit für die eigentliche Produktionsleistung der Gesamtmaschine ausschlaggebend. An die Hauptspindel werden höchste Anforderungen hinsichtlich statischer, dynamischer und thermischer Stabilität gestellt. Von wesentlicher Bedeutung ist die optimale Wahl der Vorspannung der Spindellager. Diese hat einen großen Einfluss auf Lagertemperatur,
Lagerverschleiß, maximal erreichbare Spindeldrehzahl, maximal zulässige Bearbeitungskräfte sowie letztendlich auf eine effiziente Fertigung. Stark variierende Zerspankräfte und Spindeldrehzahlen, wie sie beispielsweise bei der Komplettbearbeitung von Bauteilen auf einer Maschine auftreten, erfordern theoretisch eine individuell eingestellte Lagervorspannung.
Diese wird bei den derzeit erhältlichen Spindeln bei der Konstruktion auf einen festen Wert eingestellt und kann später nicht bzw. kaum verändert werden. Diese Festlegung ist immer ein Kompromiss, welcher das Potential der Spindel stark einschränkt.
Durch gezielte industrielle Forschung und Entwicklung konnte am ICM e.V. bereits ein Demonstrator einer adaptronischen Motorspindel entwickelt und erprobt werden. Es wurde erfolgreich gezeigt, dass die Lagervorspannung durch ein hydraulisch aktuiertes Vorspannelement prinzipiell stufenlos einstellbar ist. Es zeigte sich auch, dass für die Praxistauglichkeit weiterführende Arbeiten erforderlich waren.
Zielstellung
Das primäre Ziel war die Marktfähigkeit bzw. Praxistauglichkeit von neuartigen adaptronisch anpassbaren Hauptspindelsystemen nachzuweisen und zu erreichen. Hierfür mussten die für eine sichere Auslegung sowie einen erfolgreichen Einsatz erforderlichen theoretischen Grundlagen erforscht und aufbereitet werden. Weiterhin wurden diverse Systemeigenschaften und Funktionalitäten des bereits entwickelten Vorspannelements sowie Integrationsmöglichkeiten in Spindelsysteme von Werkzeugmaschinen
weiter optimiert.
Ergebnis
Im Verlauf des Projektes ist es gelungen, die erforderlichen theoretischen Grundlagen zu erarbeiten, welche für die zielgerichtete Auslegung und einen sicheren Betrieb von Spindelsystemen mit hydraulisch aktuiertem Vorspannelement erforderlich sind. Umfangreiche Berechnungen, Simulationen und experimentelle Untersuchungen auf den Gebieten der Wälzlagerkinematik, des thermischen Verhaltens von Spindelsystemen im instationären Bearbeitungsbetrieb sowie der modellbasierten Regelung der Vorspannkraft in einem hydraulisch aktuierten System wurden durchgeführt. Im Ergebnis fand eine Erweiterung der aktuellen Berechnungsmodelle und eine Konstruktionsmethodik für derartige Spindelsysteme statt.
Insbesondere die Genauigkeit sowie das thermische Verhalten determinierende Eigenschaften des Vorspannelements konnten wesentlich verbessert werden. Aufbauend wurde die im Vorgängerprojekt entstandene Demonstratorspindel aufgerüstet. Durch erste Testläufe und Zerspanversuche wurde anschließend deren prinzipielle Praxistauglichkeit erfolgreich nachgewiesen.
Ein weiterer Arbeitspunkt war die Weiterentwicklung des Steuer- und Regelungsmoduls inkl. der erforderlichen Software, um eine prozesssichere digitale Einbindung der Vorspannungssteuerung in die Maschinensteuerung zu gewährleisten. Die neu entwickelte Software wurde modular aufgebaut. So konnte eine maximale Flexibilität hinsichtlich der Implementierung verschiedener Sollwertvorgabealgorithmen für die Ermittlung der jeweils optimalen Vorspannkraft aus den aktuellen Prozessdaten
gewährleistet werden. Im Zuge der Entwicklung eines Sollwertvorgabealgorithmus konnten verschiedene Ansätze für Optimierungsstrategien formuliert werden. Die Anpassung der Lagervorspannung könnte neben der ursprünglich anvisierten Gebrauchsdauersteigerung auch zur Optimierung des Warmlaufverhaltens oder zur
Verbesserung der dynamischen Stabilität des Zerspanprozesses verwendet werden.
Ausblick
Zur Steigerung der Marktakzeptanz ist es über das Projekt hinaus erforderlich, die aufgezeigten Optimierungsstrategien schrittweise durch gezielte Zerspanversuche zu erforschen und zu optional nutzbaren Technologiemodulen weiter zu entwickeln. Weiter sollen auf der Versuchsmaschine des ICM e.V. Demonstrationsversuche vorbereitet werden, welche den aktuellen Forschungsstand wiederspiegeln und potentiellen Endanwendern Vorteile und Funktionsweise dieser neuen Technologie näherbringen. Zur weiteren Erhöhung der Betriebssicherheit sowie zur stetigen Erweiterung der Einsatzgrenzen soll die Forschung auf dem Gebiet der Wälzlagertheorie weiter vorangetrieben werden. Insbesondere das Schlupfverhalten der Wälzkörper bei hohen Beschleunigungen, die Stabilität des EHD-Kontaktes unter Extrembedingungen oder das Verschleißverhalten von Spindellagern im Stillstand unter oszillierenden Lasten sind von großem Interesse.
Projektpartner
- Spindel- und Lagerungstechnik Fraureuth GmbH
- Technische Universität Chemnitz, Institut für Werkzeugmaschinen und Produktionsprozesse, Professur Werkzeugmaschinen und Umformtechnik
