Motorspindel

Eine Motorspindel ist eine direktangetriebene präzise gelagerte Welle mit integrierter Werkzeugschnittstelle. Die Motorspindel ist eine wichtige Baugruppe vieler moderner Werkzeugmaschinen.

Klassische Motorspindel im Werk der Franz Kessler GmbH

Meist sind Motorspindeln wälzgelagert und werden elektrisch angetrieben. Durch die direkte Kopplung des Antriebs mit der präzise gelagerten Welle ist eine sehr genaue Bearbeitung des Werkstücks mit hoher Rotationsgeschwindigkeit möglich. Zur Bearbeitung eines Werkstücks durch ein Werkzeug über Rotation ist es unerheblich, welches der beiden rotiert. Deshalb werden Motorspindeln, ebenso wie Spindeln allgemein, in werkzeugtragende und werkstücktragende unterschieden. Typischerweise werden die werkzeugtragenden Motorspindeln in Bohr-, Schleif- und Fräsmaschinen eingesetzt, die werkstücktragenden Motorspindeln sind eher bei Drehmaschinen zu finden. Neben dem Antrieb und der Lagerung der Welle zählt die Werkzeugschnittstelle zu den wichtigsten Komponenten einer modernen Motorspindel. Das Werkzeug wird automatisch gewechselt und durch ein Spannsystem fixiert. Deshalb ist die Motorspindel heutzutage die zentrale Baugruppe einer Werkzeugmaschine und maßgeblich für deren Leistung und Genauigkeit verantwortlich. 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 Bearbeitungszentren und CNC-Werkzeugmaschinen aus den Bereichen der Dreh-, Schleif- und Fräsmaschinen, HSC, HPC, Werkzeug- und Formenbau, sowie der Automobilproduktion und der Luftfahrt.

Geschichte

Die Spindel (auch Haupt- oder Arbeitsspindel genannt) ist ein historisch gewachsener Begriff der in Bezug auf Werkzeugmaschinen eine Welle mit integrierter Schnittstelle zur Aufnahme eines Werkstücks oder eines Werkzeugs bezeichnet. Diese Welle führt eine Rotationsbewegung aus um das Werkstück durch das Werkzeug zu bearbeiten, wobei je nach Anwendung entweder das Werkzeug (z.B. Fräsmaschine) oder das Werkstück (z.B. Drehmaschine) rotiert. Die gestiegenen Anforderungen an Werkzeugmaschinen, vorrangig im Bereich der Hochgeschwindigkeitszerspanung, machten es in den 80er Jahren nötig, die werkzeugtragenden Spindeln direkt anzutreiben um eine präzisere Bearbeitung bei höheren Rotationsgeschwindigkeiten zu ermöglichen. Die zu dieser Zeit einsetzenden rasanten Entwicklungen in den Bereichen der Werkzeuggeometrien und -materialien erlaubten bei der spanenden Bearbeitung höhere Schnittgeschwindigkeiten, was in höheren Rotationsgeschwindigkeiten resultierte. Mit den konventionellen Antriebstechniken, welche den Antrieb und die Arbeitsspindel meist durch ein Getriebe und andere Übertragungselemente koppelten, waren diese hohen Geschwindigkeiten kaum mehr, oder nur mit erheblich größerem Aufwand, zu gewährleisten. Parallel dazu wurden die ersten drehzahlvariablen Elektromotoren entwickelt, die zusammen mit den Fortschritten bei Kugellagern und Frequenzumrichtern zur Entwicklung der Motorspindel führten. Um die nötigen Drehzahlen zu erreichen war nun kein Getriebe mehr erforderlich und stattdessen wurde die Spindel direkt mit dem Antrieb gekoppelt. In den 90er Jahren begannen dann viele Werkzeugmaschinenhersteller aufgrund der Krise in der Branche mit dem Outsourcing ganzer Abteilungen. Dabei eignete sich die Motorspindel als unabhängige Baugruppe sehr gut zur Auslagerung, wodurch sich Zulieferer auf die Entwicklung von Motorspindeln spezialisierten. Die kompakte Bauform, die einfache und sichere Wartung, die geringere Geräuschemission und die Zulieferbereitschaft von Spezialfirmen sind weitere Vorteile der Motorspindel, wodurch sich ihr Einsatzspektrum inzwischen stark erweitert hat und nicht mehr nur auf das Feld der Hochgeschwindigkeitsbearbeitung beschränkt.

Aufbau

3D-Schnittmodell einer Motorspindel

Der grundsätzliche Aufbau von Motorspindeln ist unabhängig vom Hersteller vielfach gleich. Gravierende Unterschiede findet man in Abhängigkeit von der Anwendung, welche sich in die Funktionsklassen Frässpindeln, Werkstückspindeln und Innenschleifspindeln einteilen lassen. Besonders werkstücktragende Motorspindeln haben oft andere Anforderungen.

Gehäuse und Kühlung

Die äußere Form der Spindel wird durch die Einbaumaße in der Werkzeugmaschine bestimmt. Ein wesentliches Merkmal von Motorspindeln ist ihre kompakte Bauform, was sich positiv auf den Platzbedarf im Maschinenbauraum auswirkt. In Folge dessen muss für ausreichende Kühlung des Motors gesorgt werden, wozu sowohl Luft als auch Wasser Verwendung finden. Am häufigsten kommt eine im Gehäuse integrierte Wasserkühlung des Stators zum Einsatz.

Welle

Explosionsdarstellung einer Motorspindel. Gut zu erkennen ist die Spindelwelle samt Rotor mit integrierter Werkzeugschnittstelle.

Das zentrale Element der Motorspindel ist die Arbeitsspindel, eine Welle mit integrierter Werkzeugschnittstelle. Die Welle muss steif genug sein, um unter Einwirkung radialer Kräfte nicht zu verbiegen. Ziel ist eine möglichst hohe Steifigkeit, welche prinzipiell vom Durchmesser der Welle und vom Material abhängt. Ein größerer Durchmesser führt aber wiederum zu einem höheren Massenträgheitsmoment, was den Energieaufwand für die Beschleunigung erhöht. Daneben spielt das dynamische Verhalten der Welle eine wichtige Rolle. Die rotierende Welle stellt mit Antrieb und Lagerung ein schwingungsfähiges System dar, welches bei Erreichen seiner Resonanzfrequenz zu schweren Schäden führen kann. Zusätzlich wird bei immer mehr Werkzeugmaschinen eine innere Kühlmittelzufuhr benötigt. Das Kühlmittel wird dabei über eine Drehdurchführung in eine axiale Bohrung in der Welle bis zum Werkzeug geleitet. Das Werkzeug selber muss kleine Bohrungen enthalten, durch welche das Kühlmittel austreten und dadurch das Werkzeug kühlen kann. Zur zusätzlichen Schmierung der Bearbeitung können auch Kühlschmiermittel zum Einsatz kommen. Daneben wird immer öfter eine Zuführung von Reinigungsluft gefordert, mit der etwaige Rückstände der Bearbeitung, z. B. Späne, weggeblasen werden können. Entweder durch eine separate Bohrung in der Welle oder durch Mitverwenden der Kühlmittelbohrung, wobei das restliche Kühlmittel zuvor ausgeblasen werden muss.

Werkzeug- bzw. Werkstückschnittstelle

Eine werkzeugtragende Arbeitsspindel an einer Werkzeugmaschine ist eigentlich nur sinnvoll, wenn das Werkzeug auch gewechselt werden kann. Moderne Werkzeugmaschinen sollen möglichst automatisch arbeiten und somit auch das Werkzeug automatisch wechseln können. Anforderung ist deshalb eine so genannte Werkzeugschnittstelle, die eine sehr hohe Wiederholgenauigkeit erlaubt, das heißt das gleiche Werkzeug, welches zweimal hintereinander eingespannt wird, soll mit exakt der gleichen Genauigkeit laufen. Diese Genauigkeit beim Laufen wirkt sich direkt auf die Genauigkeit der Bearbeitung aus. Dagegen führt eine Ungenauigkeit zu einer Unwucht, welche den gesamten Prozess beeinflussen und bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten schwere Folgen haben kann.

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 Rotationsgeschwindigkeiten, wie sie zum Beispiel bei Werkzeugmaschinen der Automobilindustrie oder HSC-Anwendungen auftreten, wird man fast ausnahmslos Hohlschaftkegel finden.

Neben der Werkzeugaufnahme besteht die Werkzeugschnittstelle einer leistungsfähigen Motorspindel aus einem automatischen Werkzeugspanner, welcher die Aufgabe hat das Werkzeug an der Spindel zu fixieren. Hierbei hat man die Wahl zwischen hydromechanischen oder mechanischen, d.h. auf Federkraft basierenden Systemen. Dabei ist die robuste Ausführung des Tellerfederspanner nach wie vor mit großem Abstand das am häufigsten eingesetzte System. Das Lösen des Werkzeuges erfolgt über eine hydraulische oder pneumatische Löseeinheit, die im Stillstand gegen die Federkraft drückt und damit das Werkzeug löst. Neu auf dem Markt sind Werkzeugspanner mit einer Gasdruckfeder, aber diese befinden sich zurzeit noch im Erprobungsstadium.

Analog zu werkzeugtragenden Spindeln besitzen werkstücktragende Spindeln ebenfalls eine Schnittstelle, welche aber als Spannfutter bezeichnet wird. Das Werkstück wird jedoch selten automatisch gewechselt, da sich die zu bearbeitenden Werkstücke meist in der äußerlichen Form und der damit verbundenen Fixierung unterscheiden.

Antrieb

Einsehbare Motorspindel für Lehrzwecke aus der Lehrwerkstatt der Franz Kessler GmbH. Rotor und Stator sind gut zu erkennen.

Eine weitere wesentliche Komponente der Motorspindel ist der Antrieb in Form eines Elektromotors. Hierbei kommt das Wesen der Motorspindel als Direktantrieb zum Vorschein, da zwischen Antrieb (Motor) und Abtrieb (Spindel) kein Getriebe zur Übersetzung wie bei fremdangetriebenen Spindeln vorhanden ist. Die Motorauslegung bezüglich Rotationsgeschwindigkeit und Drehmoment muss demnach direkt den gewünschten Anforderungen der Spindel entsprechen.

Die maximale Leistung eines Motors ist direkt proportional zum Statorvolumen, zugleich ist der Motor eine integrierte Komponente und muss sich folglich nach den räumlichen, meist sehr kompakten, Dimensionen des Spindelkastens richten. Hinzu kommt das Problem der Abwärme, welche sich mit der Dauerleistung des Motors erhöht und durch eine adäquate Kühlung abgeführt werden muss. Aus diesen Gründen ist eine Steigerung der Motorleistung bei gegebenen räumlichen Verhältnissen nur sehr schwer möglich und stößt schnell an ihre Grenzen. Im Umkehrschluss muss aus den gegebenen räumlichen Verhältnissen ein Optimum an Motorleistung abverlangt werden, was die wesentliche Aufgabe bei der Konzeption des Motors darstellt. Ein Ansatz hierbei ist die Qualität des Stromsignals zu erhöhen, für die der Frequenzumrichter verantwortlich ist. Durch die Optimierung des Frequenzumrichters soll der Strom ein möglichst ideales sinusförmiges Signal werden, was die Verlustleistung reduziert und die Dauerleistung des Motors erhöht. Welche Art von Motor letztendlich verwendet wird hängt ganz von der Anwendung ab. Synchronmotoren bieten sich hauptsächlich bei Spindeln an, die mit niedrigen Drehzahlen hohe Drehmomente umsetzen müssen. Hier kann bei gleichem Motorvolumen und gleichem Strom ein deutlich höheres Moment bereitgestellt werden. Eine weitere Anwendung für Synchronmotoren kann bei hochdynamischen, schnell laufenden Spindeln gesehen werden, welche niedrige Dauerleistungen abgeben müssen. Asynchronmotoren haben ihre Vorteile insbesondere im Bereich von „Standardmotorspindeln“, d.h. Spindeln für Universalzentren mit Drehzahlen bis 20.000 1/min bei denen im unteren Bereich mit verhältnismäßig hohen Drehmomenten gearbeitet werden muss und trotzdem auch eine ausreichende Leistung bei hohen Drehzahlen gefordert ist.

Lagerung

Die Lagerung der Welle hat ebenfalls wesentlichen Einfluss auf das Schwingungsverhalten des Systems und muss den Anforderungen entsprechend angepasst werden. Im Spindelbau wurden bislang fast ausschließlich Schrägkugellager, auch Spindellager genannt, eingesetzt. Schrägkugellager können neben Radialkräften auch einseitig wirkende Axialkräfte aufnehmen, welche durch den Vorschub auftreten. Die hohen Rotationsgeschwindigkeiten der Welle sorgen in den Kugellagern für hohe Fliehkraftbelastungen, weswegen inzwischen häufig Hybridkugellager (Kugel aus Keramik, Ringe aus Stahl) eingesetzt werden. Durch die Verwendung von Keramik (Siliziumnitrid) bei den Kugeln kann die Festigkeit erhöht und die Dichte reduziert werden, wodurch die Fliehkraftbelastung abnimmt. Die Schrägkugellager werden immer paarweise eingebaut. Je nach Drehzahl und mechanischer Belastung werden die Lager unterschiedlich gepaart, im einfachsten Fall in O-Anordnung. Wegen der einfachen Handhabung ist der überwiegende Teil der Spindeln nach wie vor dauerfettgeschmiert. Zum Einsatz kommen meist nichttoxische synthetische Fette, deren Grundöle dem Lager über eine sehr lange Zeit kontinuierlich zugeführt werden. Für höhere Drehzahlen hat sich jedoch in den letzten Jahren die Ölluftschmierung als geeigneter erwiesen. Dabei wird eine extrem kleine Menge hochviskosen Öles permanent einem Luftstrom beigefügt, der das Öl direkt in das Lager transportiert. Nötig ist hierzu eine Ölzuführungsbohrung in der Spindel sowie ein Ölluftaggregat an der Maschine. Trotz des höheren Aufwandes ist die Ölluftschmierung im Bereich sehr hoher Drehzahlen zurzeit unverzichtbar.

Sensorik

Da moderne Motorspindeln in hochproduktiven Maschinen eingesetzt werden, müssen eventuell auftretende Fehlfunktionen frühzeitig 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 Lagertemperaturüberwachung über die Aufzeichnung des Schwingungszustandes bis hin zur Erfassung der genauen Werkzeugposition.

Hersteller

Motorspindeln sind die wichtigsten Komponenten moderner Werkzeugmaschinen und Bearbeitungszentren. Sie werden nach den Anforderungen der Werkzeugmaschine von spezialisierten Zulieferern in enger Kooperation mit den Werkzeugmaschinenherstellern entwickelt und gefertigt. Zu den Unternehmen die Motorspindeln fertigen zählt die Franz Kessler GmbH, welche maßgeblich an der Entwicklung der Motorspindel beteiligt war und dafür den Dr.-Rudolf-Eberle-Innovationspreises des Landes Baden-Württemberg erhalten hat.

Literatur

• Joachim Klement: Fräskopf- und Motorspindel-Technologie. Expert-Verlag, 1. Auflage, 2008, ISBN 3-8169-2712-2
• Klaus-Jörg Conrad: Taschenbuch der Werkzeugmaschinen. Fachbuchverlag Leipzig, 1. Auflage, 2001
• Manfred Weck: Konstruktion von Spindel-Lager-Systemen für die Hochgeschwindigkeitsmaterialbearbeitung. Expert Verlag, 1990, ISBN 3-8169-0376-2
• Uwe Rondé und H. Schulz: Untersuchung von Systemen zum Spannen von Zylinderschaftwerkzeugen unter besonderer Berücksichtigung ihrer Eignung für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung. Carl Hanser Verlag München, Wien 1994, ISBN 3-446-17988-7
• Herbert Schulz: Hochgeschwindigkeitsbearbeitung. Carl Hanser Verlag, ISBN 3-446-18796-0

Siehe auch

• CNC-Maschine
• Bearbeitungszentrum
• CNC-Drehmaschine
• Luftlagerspindel