Vorlesung 6 Flashcards
(18 cards)
Aufbau und Anforderungen
Elemente der Baugruppe:
- Hauptspindel als Bauteil
- Lager zur radialen und axialen Lagebestimmung und Kraftweiterleitung
- Dichtungselemente
- auf dem Bauteil „Hauptspindel“ platzierte Komponenten zur Antriebsrealisierung
- Werkzeug- bzw. Werkstückaufnahmeflächen
- gegebenenfalls eine Pinole zur axialen Lageänderung der Hauptspindel-Baugruppe
- Funktionskomponenten des Steuerungs- und Automatisierungssystems wie z. B. Messfühler, Werkzeugspanneinrichtungen und Kühlmittelzuführung
Regeln zur Gestaltung
- abgesetzter Aufbau hinsichtlich des Durchmessers, größter Durchmesser an der Werkstück- bzw. Werkzeugaufnahmeseite
- in der Regel zweifach radiale Lagerung, Vermeidung von 3 Lagerstellen aufgrund der dann vorhandenen Überbestimmung (Ausnahme Dämpfungslager)
- Lagerstelle bestehend aus mehreren kombinierbaren Lagern möglich
- kleiner Abstand zwischen Spindelflansch und dem vorderen Radiallager (Kragarm) zur Begrenzung der Verlagerung des Spindelflansches beim Wirken radialer Kräfte eine
- Anordnung des Axiallagers nach dem vorderen Radiallager, dadurch kurzer Kragarm und geringe Auswirkung der Wärmedehnung der Spindel auf die Flanschlage
Aufnahmen für Werkzeugspanner und Einsatzbereiche
Steilkegel 7:24 für:
- Bearbeitungszentren mit automatischem Werkzeugwechsel:
- Zentrierung durch Anzugsbolzen und Zange der Schaft,
- Übertragung des Drehmomentes über Mitnehmersteine Fräsmaschinen, Waagerecht-Bohr- und
- Fräswerken mit manuellem Werkzeugwechsel
Metrischer (Kegelwinkel 1°2’56‘‘) und Morse-Innenkegel (1°26’43‘‘ … 1°30‘26‘‘) – selbsthemmend:
- nach DIN 228 insbesondere für Bohrmaschinen oder als Innenaufnahme an Drehmaschinen-Hauptspindeln
- zylindrische Bohrung mit koaxialem Präzisionsgewinde für die Schleifdornaufnahme an Innenschleifspindeln (ungenormt)
- Steilkegel 1:5 für Schleifspindelköpfe von Außenrundschleifmaschinen
Belastung und Lagerung
- Anforderungen für die Schruppbearbeitung:
- hohe statische und dynamische Steife des Systems Arbeitsspindel – Lagerung im gesamten Drehzahlbereich
- Vermeidung des Auftretens selbsterregter Schwingungen bei voller Auslastung der Antriebsleistung
- Anforderungen für die Schlicht- und Fertigbearbeitung:
- hohe statische Steife des Systems Arbeitsspindel-Lagerung im gesamten Drehzahlbereich für eine Maß- und Formgenauigkeit des Werkstückes
- hohe dynamische Steife des Systems Arbeitsspindel-Lagerung einschließlich des Arbeitsspindelantriebs im gesamten Drehzahlbereich für eine gute Welligkeit und Oberflächenrauigkeit bei der Fertigbearbeitung
- hohe Koaxialität von Arbeitsspindelachse und Werkstückeinspannachse und geringste Laufabweichungen über die Gebrauchsdauer der WZM (10.000 … 45.000 h) durch geeignete Konstruktion und hochgenaue Fertigung der Aufnahmeflächen.
- geringe Lagerreibung und hohe thermische Stabilität
- Größe von Kraglänge und Lagerabstand
Art der Aufnahme des Systems Arbeitsspindel – Lagerung in der WZM-Gestellbaugruppe
(direkte Lagerung im Spindelkasten oder Ständer)
- Vorteil: kostengünstige Konstruktion
- Nachteil: Herstellung sehr genauer Lageraufnahmeflächen nur schwer möglich
Art der Aufnahme des Systems Arbeitsspindel – Lagerung in der WZM-Gestellbaugruppe
(Lagerung in einer Spindelhülse)
- Vorteil: hohe Bearbeitungsgenauigkeit der Lageraufnahmeflächen durch Schleifen oder Innenfeindrehen in einer Aufspannung möglich
- Nachteil: höherer Arbeits- und Kostenaufwand
Art der Aufnahme des Systems Arbeitsspindel – Lagerung in der WZM-Gestellbau-gruppe
(Lagerung in axial verschiebbarer Spindelhülse)
Art der Aufnahme des Systems Arbeitsspindel – Lagerung in der WZM-Gestellbau-gruppe
(Spindel axial in den Lagern verschiebbar (bei Anwendung hydrostatischer Lager))
mögliche Anordnungen des Antriebselementes auf der Hauptspindel
- direkte Anordnung des Rotor des Motors auf dem Bauteil „Hauptspindel“ (Motorspindel)
- seperat im Gehäuse gelagertes Antriebselement, Übertragung des Drehmomentes auf die Hauptspindel durch Welle-Naben-Verbindung (querkraftfreien Antrieb)
- über ein oder mehrere Zahnräder bzw. Riemenscheiben direkt auf das Bauteil „Hauptspindel“ (zusätzlich radiale und axiale Beanspruchung der Spindel)
Lagerbauarten für Arbeitsspindeln: Prinzip, Verwendung, Vor-/Nachteile, Anordnungen, Möglichkeiten der Spieleinstellung
(Einflächengleitlager:)
- kaum noch Anwendung im WZM-Bau
- Betrieb im Mischreibungsbereich, gute Dämpfungseigenschaften
Lagerbauarten für Arbeitsspindeln: Prinzip, Verwendung, Vor-/Nachteile, Anordnungen, Möglichkeiten der Spieleinstellung
(Mehrflächengleitlager)
- begrenzte Anwendung: z.B. Schleifspindellagerung von spitzenlosen Schleifmaschinen
- als hydrodynamische Lager mit guten Laufeigenschaften und hoher Belastbarkeit
- ungünstig für WZM-Bau: Auslegung nach einem Drehzahlwert
Lagerbauarten für Arbeitsspindeln: Prinzip, Verwendung, Vor-/Nachteile, Anordnungen, Möglichkeiten der Spieleinstellung
(hydrostatische Lager:)
- zunehmende Anwendung: bei Präzisionswerkzeugmaschinen (Feindreh- und –bohrmaschinen), bei langsamen Drehbewegungen (z. B. bei Werkstücktischen von Verzahnungsmaschinen und Großwerkzeugmaschinen)
Vorteile:
- hohe Dämpfung in radialer Richtung
- hohe Laufruhe
Nachteile:
- Gewährleistung der Ölversorgung vor der Lagerbelastung
- zusätzlicher Aufwand für das Ölversorgungssystem einschließlich sorgfältiger Ölfilterung
- hohe thermische Steife nur durch Ölkühler mit Temperaturregelung erreichbar
Lagerbauarten für Arbeitsspindeln: Prinzip, Verwendung, Vor-/Nachteile, Anordnungen, Möglichkeiten der Spieleinstellung
(hydrodynamische Lager:)
- im Ruhezustand Welle auf Lagerschale wegen Schwerkraft
- mit Beginn der Rotation Hochwälzen der Welle aufgrund der Haftreibung
- mit Überwindung der Reibkraft durch die Gewichtskraft Übergang von Haft- zu Gleitreibung
- Wiederholung der Vorgänge bei niedrigen Drehzahlen => instabile Phase
- bei ausreichend hoher Drehzahl Einziehen von genügend Schmierstoff zwischen die Lagerschale und den Zapfen Bilden eines hydrodynamischen Schmierkeils
- Schwimmen der Welle auf dem Ölfilm => stabile Phase
- mit weiter ansteigender Drehzahl Bewegen des Wellenmittelpunktes nahezu auf einem Halbkreis (Gümbelscher Halbkreis) zur Lagermitte
Lagerbauarten für Arbeitsspindeln: Prinzip, Verwendung, Vor-/Nachteile, Anordnungen, Möglichkeiten der Spieleinstellung
(aerostatische Lager)
- Medium: Luft
- sonst wie hydrostatische Lager
- erheblicher Aufwand für das Reinigen und das Trocknen (Ausfrieren) der Druckluf
- Anwendung: Ultrapräzisions-Werkzeugmaschinen
Lagerbauarten für Arbeitsspindeln: Prinzip, Verwendung, Vor-/Nachteile, Anordnungen, Möglichkeiten der Spieleinstellung
(Magnetlager)
- Halten des Spindelzapfes oder Rotors durch magnetische Felder (in der Regel vier) berührungslos im Schwebezustand
- Anwendung: hochtourige Motorschleifspindeln, bis zu Werkstückspindeldrehzahlen von 60.000 1/min bei Antriebsleistungen von 20 KW
Lagerbauarten für Arbeitsspindeln: Prinzip, Verwendung, Vor-/Nachteile, Anordnungen, Möglichkeiten der Spieleinstellung
(Wälzlager)
- häufigsten verwendete Lagerbauart für Arbeitsspindeln
- einsetzbare Lagerbauarten:
- Radial-Zylinderrollenlager zweireihig mit Innenkegel 1:12 im Innenring
- Kegelrollenlager mit Kontaktwinkel = 10 … 17°
- Radial-Schrägkugellager mit Kontaktwinkel = 12°, 15°, oder 25° in O-, X- oder T-Anordnung
- Axial-Kugellager mit Kontaktwinkel = 90°
- Axial-Schrägkugellager, ein- oder zweireihig, mit Kontaktwinkel = 60°
- Vorteile:
- hohe Laufgenauigkeit, leicht einstellbar
- hohe statische und dynamische Steife
- vergleichsweise günstige Kosten
- Standardprodukte
- Nachteile:
- spielfreie Vorspannung beim Einbau und im Betrieb notwendig (nur bestimmte Wälzlagerbauarten möglich)
- aufwendige Montage
- Schwingungs- und Stoßempfindlichkeit
- schlechtes Dämpfungsverhalten
Schmierung der Wälzlager
- Aufgaben:
- Trennen der Gleitflächen zwischen Wälzlagerringen, Wälzkörpern und Käfig mittels Schmiermittelfilm zur Vermeidung von Reibung, Verschleiß und Geräuschentwicklung
- Verhindern von Korrosion
- Reinigen der Lager von Abrieb
- Kühlen der Lagerung durch Wärmeabfuhr
- Unterscheidung nach benötigter Ölmenge:
- Öl-Minimalmengenschmierung
- Normalmengenschmierung
- Öl-Kühlschmierung
Vorteile von Motorspindeln als Werkstück- und Werkzeugspindeln
- Wegfall mechanischer Getriebe
- querkraftfreie Arbeitsspindel, damit Reduzierung von Relativschwingungen zwischen Werkstück und Werkzeug auf ein Minimum, besonders wichtig bei Präzisionsmaschinen
- stufenlose Drehzahleinstellung und Regelung
- Anwendung hoher Schnittgeschwindigkeiten durch hohe Drehzahlen und leistungsstarke Motoren, z. B. beim Hochgeschwindigkeits-(HSC) Fräsen
- leichte Verfahrbarkeit der Spindeleinheit in den kartesischen Koordinaten durch deren kompakten Aufbau
