Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Hochleistungs-Drehspindeln müssen immer schneller drehen

03.12.2008
Die neue Generation von Hochleistungs-Spindeln für die Luftfahrtindustrie erbringt Leistungen von 100 kW bei 30000 min-1. Drehmomentstarke Spindeln gewinnen aufgrund der Anforderungen der Titanzerspanung große Bedeutung. Es zeigt sich, dass bei der Aluminium- und Titanzerspanung das mechatronische Gesamtsystem, bestehend aus Spindel plus Umrichter, berücksichtigt werden muss.

Die Luftfahrtindustrie stellt Spindelhersteller vor besondere Herausforderungen. Bei Neuentwicklungen im militärischen, aber auch im zivilen Sektor spielt der Leichtbau mit neuen Werkstoffen eine große Rolle. Beim Airbus A350 sowie der Boeing 787 nimmt der Gewichtsanteil von Karbonfaserwerkstoffen (800% mehr) und Titan (200% mehr) deutlich zu, während es bei Aluminium einen Rückgang um 20% zu verzeichnen gilt. Diesen Tendenzen gilt es bei der Entwicklung neuer Spindeln für die Luftfahrtindustrie Rechnung zu tragen. So entwickelte die Fischer AG Lösungen und Konzepte für die drei beschriebenen Anwendungsgebiete.

Spindel-Umrichter-Systeme werden benötigt

Die Anforderungen an Spindeln für die Hochleistungszerspanung von Aluminiumlegierungen haben sich in den vergangenen Jahren nicht grundlegend geändert. Beim Schruppen (Volumenfräsen) gilt es, in möglichst kurzer Zeit möglichst viel Aluminium zu zerspanen.

So ist es Stand der Technik, bei Schnittgeschwindigkeiten von 4000 m/min und mehr eine Material Removal Rate (MRR) von bis zu 8 l/min zu erzielen. Dies erfordert Spindeln mit hoher Drehzahl und hoher Leistung.

Der Schlichtvorgang benötigt hohe Drehzahlen, um auch für kleine Werkzeuge, mit denen nur eine begrenzte Leistung in Späne umgesetzt werden kann, ausreichende Schnittgeschwindigkeiten erreichen zu können

Neue Spindelantriebe zielen auf höhere Leistung

Der Mittelpunkt neuer Entwicklungen liegt derzeit auf einer Steigerung der maximal verfügbaren Leistung, also auf einer Optimierung des Schruppprozesses. Dabei wird an einer Maximaldrehzahl von 30000 min-1 festgehalten, weil bei einer gesteigerten Drehzahl die Zuverlässigkeit des Systems leiden könnte und die für das Schlichten zur Verfügung stehenden Drehzahlen ausreichend sind.

Das Optimieren des Schruppprozesses und damit die Steigerung der verfügbaren Leistung sind wirtschaftlich sinnvoller, weil ein verringerter Zeitanteil beim Schruppprozess – bei Zerspanungsraten von über 90% – mehr Potenzial hinsichtlich einer höheren Produktivität bietet. Eine höhere Leistung erfordert es, die Leistung prozessstabil umzusetzen. Das bedeutet, dass der Spindelhersteller zwangsläufig das mechatronische Gesamtsystem (Spindel und Umrichter) betrachten und beherrschen muss.

Neues Spindel-Umrichter-System erhöht die Produktivität

Die Fischer AG hat ein Spindel-Umrichter-System entwickelt, das die beschriebenen Randbedingungen berücksichtigt. Es verschiebt die genannten Grenzen deutlich in Richtung auf mehr Produktivität. Die neu entwickelte Spindel MFW-2320/30 VC HSK-A63 erhielt deshalb einen für diesen Anwendungsfall entwickelten Synchronmotor. Er wird durch den hauseigenen Umrichter angetrieben.

Die entwickelte Spindel hat eine Leistung von 100 kW bei einem Durchmesser von 230 mm und einer Länge von 634 mm. Das Gewicht beträgt 107 kg. Damit konnte die Leistungsdichte gesteigert werden. Im Vergleich zu konventionellen Spindeln konnte der Lagerabstand zwischen der vorderen und hinteren Lagerstelle deutlich reduziert und der Wellenaußendurchmesser erhöht werden. Dies beeinflusst die Strukturdynamik der Spindel positiv und das Fräsen bei größerer Schnitttiefe ist stabiler.

Synchronmotor ermöglicht dynamische Optimierung

Der Einfluss dieser durch Einsatz eines Synchronmotors vollzogenen dynamischen Optimierung schlägt sich bei der Berechnung der Stabilitätskarten für zum Einsatz kommende Werkzeuge nieder. Fräsversuche am WZL in Aachen und am PTW in Darmstadt bestätigten dies.

Bild 1 zeigt das Ergebnis der Berechnung einer Stabilitätskarte für ein Werkzeug mit den folgenden Parametern: Schaftfräser ohne Radius, Wendeplatten aus Karbid, Drallwinkel 20°, Schnittwinkel 11°, Freiwinkel 15° und Vollschnitt.

Daraus lässt sich der optimale Arbeitsbereich der Spindel ermitteln. Dieser liegt zwischen 20 000 und 30 000 min-1, also in dem für Werkzeuge dieser Art typischen Drehzahlbereich. Die dort angegebenen Schnitttiefen sind nicht real, weil bei der Simulation die Systemdämpfung ungenügend genau berücksichtigt wurde. Die Lage der Rattersäcke stimmt hingegen mit der Realität gut überein.

Bei den oben erwähnten Hochschul-Versuchen konnten MRR-Werte bis zu 12 l/min erzielt werden, was einer Steigerung von 50% von der bisher existierenden Obergrenze gleichkommt. Diese Steigerung hat eine beachtliche Verkürzung der Zerspanzeit und damit Erhöhung der Produktivität zur Konsequenz. Bei einem Rohbauteil-Gewicht von 1,5 t und einem gewichtsbezogenen Zerspanungsanteil von nur 70% wäre eine Reduzierung der Zerspanzeit beim Schruppen von 33% erzielbar, setzt man ein ausreichendes Beschleunigungsvermögen der Maschinenachsen voraus.

Titan-Zerspanung erfordert hohes Drehmoment

Im Vergleich zur Aluminium-Zerspanung bestehen für die Titan-Zerspanung konträre Anforderungen an die Spindel. In der konventionellen Titanzerspanung (Schruppen) werden Schnittgeschwindigkeiten von 30 bis 50 m/min gefahren. Weil die Drehzahl somit von untergeordneter Bedeutung ist, rückt vielmehr das verfügbare Drehmoment anstatt der verfügbaren Leistung bei der Spindelauslegung in den Mittelpunkt.

Aus den deutlich niedrigeren Schnittgeschwindigkeiten resultiert ein anderes Beanspruchungsprofil der Spindel: deutlich höhere Prozesskräfte, Mischreibung durch fehlende Drehzahl zum Aufbau eines elasto-hydrodynamischen Schmierfilms in Wälzlagern.

Veränderte Randbedingungen erfordern Weiterentwicklung

Die im Vergleich zur Zerspanung von Aluminiumlegierungen veränderten Randbedingungen (höhere Drehzahlen, verbunden mit dem Siegeszug der HSC-Technik) erforderten es, die Motorspindeln weiterzuentwickeln. Die Drehzahlanforderungen an die Spindeln für die Zerspanung von Ti-Legierungen sind, wie bereits erwähnt, gering.

Darüber hinaus lassen sich durch den Einsatz konventioneller Getriebespindeln Drehmomente bereitstellen, die ausreichend sind. Solche Einheiten befinden sich aber in der Regel in der Systemverantwortung der Maschinenhersteller und werden auch von diesen hergestellt.

Die Aufgabe und zugleich das Dilemma für den Spindelhersteller ist, sich mit Lösungen, die einen Mehrwert bieten, eine Nische auf dem neuen Markt der Titanzerspanung suchen zu müssen. Erfolgreich kann dies nur funktionieren, wenn der Spindelhersteller sein angestammtes Know-how (Motorspindeln) mit den Anforderungen nach hohen Drehmomenten so verknüpft, dass ein Wettbewerbsvorteil gegenüber konventionellen Getriebelösungen erwächst.

Hochpolige Synchronmotoren für die Titanzerspanung geeignet

Eine Möglichkeit ist es zum Beispiel, hochpolige Synchronmotoren zu verwenden. Die Vorteile der direkt angetriebenen Motorspindeln liegen in ihrer Kompaktheit und Fünf-Achs-Fähigkeit sowie in der Einsparung kosten- und oft wartungsbehafteter Getriebekomponenten.

Fischer Precise entwickelt kundenspezifische Lösungen mit Drehmomenten bis 2000 Nm (S1) mit einem Außendruchmesser von 420 mm und einer Länge von 1100 mm, genauso wie 600 Nm mit 275 mm Durchmesser und 700 mm Länge. Um solche Drehmomente zu erzeugen, benötigt man Umrichter, die hohe Ströme bei hohen Taktfrequenzen zulassen. Dies ist wegen der Vielpoligkeit der verwendeten Motoren erforderlich.

Rudolf Walter ist Leiter des technischen Vertriebs bei der Fischer Precise Deutschland GmbH in 70771 Leinfelden-Echterdingen.

Rudolf Walter | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/konstruktion/antriebsundsteuerungstechnik/articles/156269/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Maschinenbau:

nachricht eldec-Technologie im Maschinenbau: Standardisierte Hochleistungsgeneratoren für exzellente Maschinenbaulösungen
15.12.2016 | EMAG eldec Induction GmbH

nachricht Neuer Fräser arbeitet schneller und spart Energie
12.12.2016 | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Maschinenbau >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Mit solaren Gebäudehüllen Architektur gestalten

Solarthermie ist in der breiten Öffentlichkeit derzeit durch dunkelblaue, rechteckige Kollektoren auf Hausdächern besetzt. Für ästhetisch hochwertige Architektur werden Technologien benötigt, die dem Architekten mehr Gestaltungsspielraum für Niedrigst- und Plusenergiegebäude geben. Im Projekt »ArKol« entwickeln Forscher des Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern aktuell zwei Fassadenkollektoren für solare Wärmeerzeugung, die ein hohes Maß an Designflexibilität erlauben: einen Streifenkollektor für opake sowie eine solarthermische Jalousie für transparente Fassadenanteile. Der aktuelle Stand der beiden Entwicklungen wird auf der BAU 2017 vorgestellt.

Im Projekt »ArKol – Entwicklung von architektonisch hoch integrierten Fassadekollektoren mit Heat Pipes« entwickelt das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern...

Im Focus: Designing Architecture with Solar Building Envelopes

Among the general public, solar thermal energy is currently associated with dark blue, rectangular collectors on building roofs. Technologies are needed for aesthetically high quality architecture which offer the architect more room for manoeuvre when it comes to low- and plus-energy buildings. With the “ArKol” project, researchers at Fraunhofer ISE together with partners are currently developing two façade collectors for solar thermal energy generation, which permit a high degree of design flexibility: a strip collector for opaque façade sections and a solar thermal blind for transparent sections. The current state of the two developments will be presented at the BAU 2017 trade fair.

As part of the “ArKol – development of architecturally highly integrated façade collectors with heat pipes” project, Fraunhofer ISE together with its partners...

Im Focus: Mit Bindfaden und Schere - die Chromosomenverteilung in der Meiose

Was einmal fest verbunden war sollte nicht getrennt werden? Nicht so in der Meiose, der Zellteilung in der Gameten, Spermien und Eizellen entstehen. Am Anfang der Meiose hält der ringförmige Proteinkomplex Kohäsin die Chromosomenstränge, auf denen die Bauanleitung des Körpers gespeichert ist, zusammen wie ein Bindfaden. Damit am Ende jede Eizelle und jedes Spermium nur einen Chromosomensatz erhält, müssen die Bindfäden aufgeschnitten werden. Forscher vom Max-Planck-Institut für Biochemie zeigen in der Bäckerhefe wie ein auch im Menschen vorkommendes Kinase-Enzym das Aufschneiden der Kohäsinringe kontrolliert und mit dem Austritt aus der Meiose und der Gametenbildung koordiniert.

Warum sehen Kinder eigentlich ihren Eltern ähnlich? Die meisten Zellen unseres Körpers sind diploid, d.h. sie besitzen zwei Kopien von jedem Chromosom – eine...

Im Focus: Der Klang des Ozeans

Umfassende Langzeitstudie zur Geräuschkulisse im Südpolarmeer veröffentlicht

Fast drei Jahre lang haben AWI-Wissenschaftler mit Unterwasser-Mikrofonen in das Südpolarmeer hineingehorcht und einen „Chor“ aus Walen und Robben vernommen....

Im Focus: Wie man eine 80t schwere Betonschale aufbläst

An der TU Wien wurde eine Alternative zu teuren und aufwendigen Schalungen für Kuppelbauten entwickelt, die nun in einem Testbauwerk für die ÖBB-Infrastruktur umgesetzt wird.

Die Schalung für Kuppelbauten aus Beton ist normalerweise aufwändig und teuer. Eine mögliche kostengünstige und ressourcenschonende Alternative bietet die an...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Aquakulturen und Fangquoten – was hilft gegen Überfischung?

16.01.2017 | Veranstaltungen

14. BF21-Jahrestagung „Mobilität & Kfz-Versicherung im Fokus“

12.01.2017 | Veranstaltungen

Leipziger Biogas-Fachgespräch lädt zum "Branchengespräch Biogas2020+" nach Nossen

11.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Weltweit erste Solarstraße in Frankreich eingeweiht

16.01.2017 | Energie und Elektrotechnik

Proteinforschung: Der Computer als Mikroskop

16.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Vermeintlich junger Stern entpuppt sich als galaktischer Greis

16.01.2017 | Physik Astronomie