Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Hybride Spindel: Prozessabhängige Einstellung der Spindeldynamik zur Produktivitätssteigerung in der spanenden Bearbeitung

Die am Markt angebotenen Universalspindeln sind für spezielle Zerspanprozesse (HSC oder HPC) aufgrund ihres limitierten Arbeitsbereiches nur bedingt geeignet. Die Spindellagerung und der Antrieb stellen Schwachstellen dar, die eine Umschaltung von Motorspindeln zwischen einem Drehzahlbetrieb und einem Drehmomentbetrieb maßgeblich erschweren. Ziel dieses Forschungsvorhabens ist es, eine „hybride“ Spindel zu entwickeln, die prozessabhängig zwischen diesen beiden Betriebsbereichen umschalten kann. Dies wird zum einen durch eine prozessabhängige Anpassung der Lagervorspannung auf Basis eines adaptiven und sehr kompakten Lagervorspannelements realisiert, das im Gegensatz zu bisherigen Konzepten zur Lagervorspannung rein elektrisch angesteuert wird. Zum anderen wird ein neuartiges Antriebskonzept herangezogen, das auf eine umschaltbare Wicklungsgestaltung basiert und von werkzeugmaschinentypischen, am Markt verfügbaren Frequenzumrichtern gespeist wird. Das Ergebnis dieses Vorhabens ist eine „hybride“ Spindel mit erheblich erweiterten Einsatzgrenzen und hohem Kosten zu Nutzen-Verhältnis. Gerade in Kombination mit Universalwerkzeugmaschinen erhalten hybride Spindelsysteme eine besondere Relevanz, da in diesem Fall ein breites Materialspektrum an derselben Maschine kostengünstig und effizient bearbeitet werden kann. Dies ist für Lohnfertiger, d.h. in vielen Fällen KMUs, von größter Bedeutung.

Ergebniszusammenfassung:

Im durchgeführten Forschungsvorhaben wurde erfolgreich ein Demonstrator einer umschaltbaren Hybriden Spindel umgesetzt und erforscht. Durch die technische Realisierung und Anwendung eines adaptiven Lagervorspannelements sowie einer anpassbaren Strangwindungszahl des Spindelmotors gelingt eine Umschaltung zwischen einem Hochdrehzahl- und Hochmomentenbetrieb. Die im Vorhaben erzielten Ergebnisse zeigen auf, dass der Lagervorspannungszustand der Hybriden Spindel sowie das dynamische Spindelverhalten mithilfe des adaptiven Vorspannelements angepasst werden kann. Dadurch konnte aufgezeigt werden, dass die umsetzbare Grenzschnitttiefe eines Stirnplanfräsprozesses beeinflusst werden kann. Weiterhin wurde gezeigt, dass eine wirtschaftliche und robuste Umsetzung der Vorspannungsüberwachung anhand von Pt100-Sensoren möglich ist. Hierbei entsteht ein hoher Nutzen für KMU, weil die Anwendung und Signalauswertung des Vorspannelements kostengünstig umgesetzt werden kann. Die Vorspannungsanpassung ist nicht auf einen Spezialfall begrenzt, sondern kann auch auf weitere Werkzeugmaschinenkomponenten, z. B. Kugelgewindetriebe, übertragen werden. Die breite Einsetzbarkeit des adaptiven Vorspannelements bildet die Grundlage zur einfachen Einstellung verschiedener Betriebszustände von Werkzeugmaschinen. Hierbei leistet auch die im Forschungsvorhaben entwickelte und erprobte anpassbare Strangwindungszahl des Spindelmotors einen Beitrag. Durch die Anwendung einer Frässpindel mit realisierbarer Umschaltung zwischen einem Drehzahl- und Momentenbetrieb, wird die wirtschaftliche Bearbeitung eines breiten Werkstoffspektrums auf einer Werkzeugmaschine ermöglicht. Dies bietet besonders KMU im Bereich der Lohnfertigung die Perspektive, ein breites Bauteilspektrum mit einem kleinen Maschinenpark wirtschaftlich fertigen zu können. Die Umsetzung einer anpassbaren Strangwindungszahl ist nicht auf die Hybride Spindel begrenzt, sondern kann auf ein breites Spektrum von Spindeln übertragen werden.