F A C H S C H U L E L A N D T H Ü R I NG E N / M Ü H L H A U S E N

Transkript

1 Hauptspindellagerung Die Arbeitsspindel (Hauptspindel) ist das wichtigste Maschinenelement einer modernen Werkzeugmaschine. Von ihrer Führungsgenauigkeit ist die erreichbare Herstellgenauigkeit des Werkstückes abhängig. Das System Spindel-Lagerung muss folgende Bedingungen erfüllen: 1. Die Führungsgenauigkeit muss unter ständig wechselnden Bedingungen gewährleistet sein. Da die Drehzahlbereiche der modernen zwischen n= liegen, muss die Lagerung unterschiedlichen Verhältnissen bezüglich Lagererwärmung und dem daraus, resultierenden Lagerspiel gerecht werden. 2. Die Entwicklung leistungsfähiger Schneidstoffe (Hartmetalle und Schneidkeramiken) ermöglichen das Arbeiten mit großen Schnittgeschwindigkeiten.. Daraus resultieren: 2.1 hohe Spindeldrehzahlen 2.2 große Schnittkräfte 2.3 große Antriebsdrehmomente Unter dem Einfluss dieser Kräfte und Drehmomente soll sich die Hauptspindel möglichst nicht verformen und nicht verlagern. Ein Maß für die Führungsgenauigkeit der Spindel ist die an der Spindelnase unter dem Einfluss der wirkenden Schnittkraft gemessene Gesamtverformung (Bild 7.1), die sich aus verschiedenen Anteilen zusammensetzt: 1. Eigenverformung infolge Durchbiegung 2. ein Anteil, der auf die Lagerverformung und das Spiel in den Lagerungen zurückzuführen ist 3. Schubverformung durch die Querkraftwirkung Für die einzelnen Lagerstellen kann der Starrheitsgrad C als Kraft angegeben werden, die erforderlich ist, um eine Verformung von der Größe einer Längeneinheit (1 µm) zu erzielen. Der an der Spindelnase ermittelte Gesamt-Starrheitsgrad Cges enthält die Verformungsfähigkeit der Lagerungen und der Spindel.. Die Größe der Gesamtverformung wird nicht nur beeinflusst von dem Trägheitsmoment der Spindel, sondern auch von dem Verhältnis Lagerabstand zu Überhang des Spindelkopfes. Auf Grund zahlreicher Untersuchungen ist man in der Lage, das System Hauptspindel und Lagerung so zu optimieren, dass man die statischen Bedingungen weitest gehend erfüllen kann. Außer der Statik wird aber auch der thermische Einfluss zusätzlich beachtet. Dies geschieht durch zusätzliche Kühlsysteme und durch eine neue Gestaltung des Spindelstockes. Während früher Hauptspindel und Schaltgetriebe im Spindelstock untergebracht waren, nimmt heute der Spindelstock nur noch die Hauptspindel auf. Dadurch wird die Wärmeentwicklung erheblich verringert, und zugleich entfallen dadurch die von den Zahnrädern erzeugten Schwingungen. Der Antrieb der Hauptspindel erfolgt entweder direkt, vom entfernt angeordneten Antriebsmotor oder dem Antriebsmotor nachgeschalteten Getriebe mit einem Zahnriemen, der auch vorhandene Restschwingungen nicht mehr auf die Spindel übertragen kann

2 Gleitlagerung Gleitlager haben den Vorzug großer Laufruhe. Die große Schmierfläche solcher Lager wirkt schwingungs- und geräuschdämpfend. Bei reiner Flüssigkeitsreibung entsteht praktisch kein Verschleiß, weil sich die gleitenden Flächen durch den dazwischen liegenden Ölfilm gar nicht mehr berühren. Hydrostatische Gleitlager Bei hydrostatisch geschmierten Lagern wird das Schmieröl mit einem Druck von bar (= N/cm2) zwischen die gleitenden Teile gepresst. Dadurch werden sie sowohl im Stillstand als auch in der Bewegung in einem Abstand von ca. 0,01-0,02 mm gehalten. Die sogenannten Druckkammerlager haben Kammern K, in die das Öl über Bohrungen zugeführt wird. In der Praxis haben sich diese Lager jedoch kaum durchgesetzt, weil die Kosten für die Hochdruckpumpen und die dichten Zuleitungen zu hoch sind. Hydrodynamische Gleitlager Bei diesen Lagern bildet sich ein tragender Schmierfilm erst dann, wenn sich die Gleitflächen mit einer bestimmten Geschwindigkeit aufeinander bewegen. Im Stillstand ruht der Zapfen exzentrisch in der Lagerbuchse mit e = S/2, so dass ein Keilspalt gebildet wird. Der Raum zwischen Lagerbuchse und Zapfen ist mit Schmieröl angefüllt, das während des Laufens ständig nachgefüllt werden muss. Die Drehbewegung beginnt mit Festkörperreibung und geht dann, mit zunehmender Geschwindigkeit v, in Flüssigkeitsreibung über

3 Der Zapfen wird angehoben, und es bildet sich ein Schmierfilm mit der Dicke ho, und e wird dann e = S/2 - ho. Die Drehfrequenz, bei der die Reibungszahl den Kleinstwert erreicht hat, bezeichnet man als Übergangsdrehzahl nü. Praktisch werden solche hydrodynamischen Lager für hochtourige Spindeln wie z. B. Schleifspindeln und hochtourige Bohrspindeln in Bohr- und Fräswerken eingesetzt. Eine ausgeführte Konstruktion für eine Rundschleifmaschinenspindel zeigt das Bild. Das charakteristische Merkmal dieses Lagers ist die von den üblichen zylindrischen Gleitlagern abweichende unrunde Form der Lagerbohrung. Die Gleitflächenradien R sind um einen berechneten Betrag größer als der Radius r der Welle. Aus dieser Radialdifferenz entsteht der Schmierspalt

4 Bei einsetzender Drehbewegung der Welle wird das Öl in Strömung versetzt, und es schiebt sich unter Druckentwicklung in den keilförmigen Schmierspalt. Die Welle hebt von der Lagerschale ab und läuft nun mit rein hydrodynamischer Schmierung. Die Vorteile dieser Lagerung sind: geringer Verschleiß hohe Rundlaufgenauigkeit geringe Wärmeentwicklung - große Steifigkeit - gute Dämpfung Wälzlagerung Wälzlager passen sich günstig den Anforderungen einer Werkzeugmaschine mit großem Drehzahlbereich an. Da die Erwärmung der Wälzlager geringer ist, können für einen verhältnismäßig großen Drehzahlbereich sehr kleine Lagerspiele eingehalten werden. Die vielen Vorteile eines einbaufertig genormten und nach Katalog beziehbaren Lagers sowie die bekannten Vorzüge, wie leichte Wartung und Schmierung, geringer Platzbedarf, zuverlässige Lebensdauerberechnung, machen das Wälzlager für die Lagerung von spindeln besonders geeignet. Die großen Wälzlagerhersteller wie FAG, SKF und UKF stellen heute nicht nur Wälzlager, sondern auch fertige Hauptspindel-Lagereinheiten für alle Arten von her. Sie garantieren nach DIN/ISO 1101 Lauf- und Planlaufgenauigkeiten an der Spindelnase: Standardgenauigkeit: 5 µm radial/axial Erhöhte Genauigkeit: 3 µm radial/axial Spindellagerungen müssen nicht aus einzelnen Lagern zusammengesetzt werden. Man kann auch vorgefertigte einbaufertige Lagerköpfe als komplette mehrreihige Einbauelemente einsetzen. Sie sind vorgespannt, gefettet und mit Dichtung versehen. Zum Einbau sind praktisch nur noch Wellensitz und Gehäusebohrung als einfache zylindrische Form herzustellen

5 Die nachfolgenden Bilder zeigen ausgeführte Lagerkonstruktionen für Dreh-, Fräs- und Schleifmaschinen Schmierung Fettschmierung Als bevorzugte, da nur mit geringem Aufwand verbundene Schmierung der Wälzlager wird die Fettschmierung angestrebt. In vielen Fällen übertrifft die Lebensdauer der hochwertigen Spezialfette die der Lager. Man bezeichnet dies als Lebensdauerschmierung. Sie wird nur bei der Spindelmontage vorgenommen und bedarf keiner Nachschmierung. Vor dem Einsatz ist durch bewährte Einlaufprozeduren das Schmierfett betriebsfähig zu machen (Walken und Verdrängen in angrenzende Depoträume). Ölschmierung Daneben kann die Ölschmierung gewählt werden. Hier unterscheidet man zwischen den Arten: Verlustschmierung Minimalmengenschmierung Einspritzschmierung mit Rückführung des Öles Verlustschmierung Bei der Verlustschmierung werden die Ölnebel- und Ölluftschmierung unterschieden. Bei der ersten Art wird der Schmierstoff in feinste Tröpfchen zerstäubt und durch ein tragendes Luftmedium zur Schmierstelle transportiert, wo durch Düsen die Ölpartikel auf die für das optimale Schmierverhalten erforderliche Größe gebracht werden. Bei der Ölluftvariante kriecht durch eine getaktete Dosierung der Schmierstoff an der Wand einer kleinen Bohurung einer Zuführrohrleitung zur Schmierstelle. Minimalmengenschmierung Die Minimalmengenschmierung arbeitet mit sehr kleinen Ölmengen, die so auszulegen sind, dass keine störenden Restmengen auftreten. Zur quantitativen Auswahl der Drehzahleignung dient der Drehzahlkennwert kn. Dieser ist von der Schmierungsart und von der Lagergeometrie abhängig: - 5 -

6 kn = d m nmax d + D d m = mittlerer Lagerdurchmesser d m = 2 Einige Beispiele sollen den Drehzahlkennwert für Spindellagerung kennzeichnen: Schmierung k n in 10 6 mm/min Fettschmierung 1-1,5 Ölminimalschmierung 1,6 2,0 Öleinspritzschmierung bis 2,7-6 -