Eine Publikation der Swissprofessionalmedia AG
Ausgabe 09/2016, 09.09.2016

Thermostabilität bringt Präzision

Mit der neusten Generation seiner Motorspindel «HVC 140» ist es dem Hersteller Step-Tec gelungen, bei Präzision und Repetitionsgenauigkeit die Grenzen des physikalisch Machbaren weitgehend auszureizen. Damit soll die Spindel auch die anspruchsvollsten Anforderungen im Formenbau erfüllen.

(msc) Motorspindeln sind Wärmequellen und haben damit einen Einfluss auf die Be­arbeitungsgenauigkeit der gesamten Werkzeugmaschine. Dieser Einfluss lässt sich zwar nicht komplett vermeiden, aber durch konstruktive Massnahmen drastisch reduzieren.

Das erklärte Ziel von Step-Tec bei der Konstruktion der bis zu 42 000 min-1 drehenden «HVC 140»-Spindel war es, die polare Temperaturverteilung im Bereich des Spindelflansches und des vorderen Mantels auf lediglich 1 K zu reduzieren, um dessen thermischen Einfluss auf die Maschinenachse auf einem Minimum zu halten und damit eine Beeinflussung der Geometrie auszuschliessen.

Als eine der Massnahmen sorgt in der HVC 140 eine in der Tiefe umlaufende Kühlbarriere dafür, dass die Motorwärme weitestgehend von der Spindelnase ferngehalten wird. Diese wird zudem mit zwei Kühlwendeln im Bereich des vorderen Lagersystems gekühlt. So wird die Temperatur stabil gehalten, was das Längenwachstum der Spindel auf ein Minimum beschränkt.

Um dies zu erreichen, unterzog man den bestehenden OCS-Kühlkreislauf mittels entsprechender Berechnungen und Simulationen einer Strömungsoptimierung. Dabei wurde ein ausgeglichenerer Wärmehaushalt erreicht. Die Wiederholgenauigkeit, etwa nach Werkzeugwechsel, wurde so nachhaltig optimiert.Eine in dieselbe Richtung zielende Massnahme ist die Verwendung einer Karbonhülse. Dadurch wird der Wärmeübertrag von den im hinteren Teil der Spindel befindlichen Wärmequellen auf die Maschinenachse wesentlich reduziert.

Mit einem optimierten Luftmanagement in der Spindel und einem neu ausgelegten Labyrinth mit integriertem Längenmesssystem konnte zudem eine absolute Dichtheit der Spindel erzielt werden. Eine Werkstückverschmutzung durch Ölaustritt an der Spindelnase ist damit laut Hersteller Vergangenheit.

Besonders wichtig in Bezug auf dynamische Steifigkeit, Standzeit der Werkzeuge sowie erzielbare Präzision am Werkstück ist die Wechselgenauigkeit sowie der Rund- und Planlauf der Schnittstelle. Dabei bestimmt die Auslegung des Lagersystems massgeblich die Leistungsfähigkeit einer Spindel auf einer Fräsmaschine und damit die Genauigkeit und Oberflächengüte am Werkstück. Ferner muss die Spindel als Schnittstelle zum Werkzeug die gesamten Bearbeitungskräfte aufnehmen – und dies über Jahre mit gleichbleibender Qualität.

Diese Überlegungen führten bei Step-Tec zum Beschreiten neuer Wege in der Lagerwahl und zum Einsatz von Ultra-Hochpräzisions-Hybridlagern. Dies und die Lagerauslegung des gesamtem rotierenden Systems führten zu einer bisher nie erreichten Steifigkeit. Die Verbesserungen der Steifigkeitswerte gegenüber dem Vorgängermodell an der Plananlage des Werkzeugs betragen 16 Prozent in radialer Richtung und gar 60 Prozent in der Achslage. Dies sind Werte, die im Präzisionsformenbau und in der Produktion kleiner Präzisionsteile laut Hersteller zu den besten ihrer Klasse gehören.

Die markant gesteigerte dynamische Steifigkeit, gepaart mit geringsten Rund- und Planlauffehlern an der HSK-Aufnahme und die Wechselgenauigkeiten am Werkzeug im Bereich ≤ 2 µm ermöglichen eine extrem hohe Präzision in der Bearbeitung.

Eine Drehdurchführung zur Einbringung von Kühlschmierstoffen unter hohem Druck in die Spindel und eine Minimalmengenschmierung sind heute in der klassischen spanabhebenden Bearbeitung Standard. Über diese Eigenschaften verfügt auch die HVC 140. Sie glänzt aber zudem mit absoluter Dichtheit. Damit eignet sie sich hervorragend für die Trockenbearbeitung oder für den Betrieb mit Luftkühlung, wie er in der Bearbeitung von Kunststoffmedizinalkomponenten oder Graphit­elektroden gefordert ist.

Unter dem Strich lässt sich sagen, dass die neue Motorspindel höchste Ansprüche in Sachen Oberflächengüte und wirtschaftliche Dauerfestigkeit erfüllt und sich als neue Plattformspindel anbietet, die mit ihrer Variantenvielfalt diverse Anforderungen zu befriedigen vermag.

Step-Tec AG 4542 Luterbach, Tel. 032 681 35 35 fieldservice.gfms.step-tec@georgfischer.com

AMB Halle 7 Stand D32



Unter anderem sorgt eine Karbonhülse bei der Spindel «HVC 140» für einen drastisch reduzierten Temeratureintrag von Maschinenseite her. (Bild: Step-Tec)


Das in die Spindel integrierte Kühlsysstem «OptiCool».

Auf einen Blick

Step-Tec Spindel

  • Leistung (S6): 13,5 kW
  • Drehmoment(S6): 8.8 Nm
  • Drehzahl: 42 000 min-1
  • Beschleunigung: 2,5 s
  • Schmierung: DLS Öl – Luft
  • Werkzeug: HSK-E32 oder E40 DIN69063-1
  • Abmasse: 140/180 × 480 mm
  • Gewicht: 34 kg (ohne DDF)
  • Dreheinführung: TSC 14 Mpa,MQL, Luft in Rotation
  • Anbindung an CNC: via Profibus
  • Intelligenz: Integration der intelliSTEP
  • «Digitale Spindel»: Sensorik zur Überwachungs- und Prozesskontrolle

Im Profil

Step-Tec

Die Step-Tec AG entwickelt und produziert seit 1995 Hochleistungs- und Hochgeschwindigkeits-Motorspindeln für die Bereiche Werkzeug- und Formenbau sowie Produktion und Aerospace. Die Palette reicht von standardisierten Spindelplattformen bis zu kundenspezifischen Entwicklungen. Bisher entwickelte und baute die Firma rund 100 verschiedene Spindelvarianten im Durchmesserbereich von 90 bis 320 mm. Der Leistungsbereich deckt bis zu 100 kW ab, im Bereich Titanzerspanung sogar bis 130 kW, bei Drehmomenten von bis zu 1000 Nm.