Spindeln für Grob- und Feinbearbeitung

Maximale Präzision, maximaler Materialabtrag

| Autor / Redakteur: Al Breitenberger, Step-Tec / Anne Richter

Die schlanke HPC240 ist geeignet für lange Werkzeuge um tiefe Taschen solcher und ähnlicher Turbinenräder zu fräsen.
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Die schlanke HPC240 ist geeignet für lange Werkzeuge um tiefe Taschen solcher und ähnlicher Turbinenräder zu fräsen. (Bild: Step-Tec)

Step-Tec hat mit der HPC240 Aero eine Spindel entwickelt, die sowohl Präzision als auch Materialabtrag auf das Maximum vereint. Hohe Rundlaufgenauigkeit und hohe Steifigkeit bei gleichzeitig schlanker Bauweise sind Voraussetzungen, sowohl Grob- als auch Feinbearbeitung zu meistern.

Step-Tec AG entwickelt und produziert seit 1995 Hochleistungs- und Hochgeschwindigkeits-Motorspindeln für die Bereiche Werkzeug- und Formenbau sowie Produktion und Aerospace. Von standardisierten Spindelplattformen bis zur kundenspezifischen Entwicklung; die Präzisionsspindeln verrichten seit Jahren zuverlässige Zerspanungsarbeit in Fräs- und Schleifmaschinen führender Maschinenhersteller weltweit. Bis heute entwickelte und baute die Firma rund 100 verschiedene Spindelvarianten im Durchmesserbereich 90–320 mm, welche einen Leistungsbereich bis 130 kW abdecken, im Bereich Titan­zerspanung sogar bis 130 kW bei Drehmomenten von bis zu 1200 Nm.

Komplettbearbeitung von zähen Werkstoffen unter schwierigen geometrischen Bedingungen

Step-Tec ist es mit der neusten Generation der HPC240 Aero Spindel mit 20 000 U/min gelungen, die Präzision und zugleich den Materialabtrag auf das maximal Mögliche zu bringen. Wo früher zwei Spindeln in unterschiedlicher Aufspannung die Grob- wie auch die Feinbearbeitung verrichtet haben, löst jetzt eine Spindel aufgrund ihrer ausgezeichneten Steifigkeit bei gleichzeitig schlanker Bauweise und hoher Rundlaufgenauigkeit souverän beide Aufgaben. Die Repetitionsgenauigkeit ist durch die einmalig stattfindende Werkstückaufspannung gewährleistet. Die Referenz bei der Positionierung bleibt erhalten. Die Bearbeitungszeit reduziert sich somit wesentlich, denn die Nebenzeit für das erneute Aufspannen des Werkstücks zur Feinbearbeitung entfällt.

Programmierbar verstellbare Kühlmitteldüsen

Die Effizienz im Bearbeitungsprozess findet insbesondere dort statt, wo der Spanabtrag geschieht, nämlich an der Werkzeugschneide. Hier bietet die HPC240 Aero eine weitere Besonderheit: durch den gezielten und je nach Bearbeitungssituation in seiner Winkelausrichtung flexibel einstellbaren Kühlstrahl kann sichergestellt werden, dass Wärme stets effizient abgeführt werden kann. Mit dieser ausgeklügelten Einrichtung kann der Auftreffpunkt des Kühlstrahls auf den Spanabtragspunkt gerichtet werden, dies flexibel vorprogrammierbar innerhalb eines CNC-Bearbeitungsprogramms für ein kontinuierliches Nachführen des Kühlstrahls, abgestimmt auf das zu bearbeitende Werkstück. Diese dynamische und hocheffiziente Kühlung steigert wesentlich die Bearbeitungseffizienz bei gleichzeitiger Erhöhung der Standzeit des Werkzeugs.

Damit wird es möglich, ohne wesentlichen Unterbruch Werkstücke stets mit dem passenden Werkzeug zu bearbeiten. Dies empfiehlt sich gerade dann, wenn die geometrische Ausprägung des Werkstücks sehr unterschiedliche Anforderungen stellt oder wenn von grober Schruppbearbeitung auf Feinbearbeitung mit anderer Werkzeuggeometrie umgestellt wird. Eine neue lagerlose Drehdurchführung für alle Medien erlaubt die Einbringung von Kühlschmierstoffen unter sehr hohem Druck für die Kühlung harter Werkstoffe wie Titan, Nickellegierungen und Edelstahl, genau dosierte Minimalmengenschmierung ist dabei möglich, dies bei wesentlich reduzierterem Verschleiss bzw. höherer Lebensdauer der Drehdurchführung.

Höchste Steifigkeit und Leistungsdichte bei schlanker Bauform

Da die Step-Tec HPC240 Aero speziell für Bearbeitungen von Chrom-Nickel-Stählen, Super Alloy und Titan im Aerospace- oder Energie-Segment entwickelt wurde, galt es dem Thema dynamische Steifigkeit höchste Aufmerksamkeit zu widmen. Da aber bei der Bearbeitung, beispielsweise von Turbinenschaufeln, die Zugänglichkeit bis an den Fuss der Schaufel oftmals erschwert ist, darf die Spindel auch nicht zu breit bauen. Zwei Anforderungen, die normalerweise im Widerspruch stehen. Gelöst wurde dies durch ein optimal konzipiertes Lagersystem, das in einem schlanken verlängerten Spindelkopf sitzt. Dabei werden die bei der Bearbeitung von zähen Werkstoffen auftretenden sehr hohen Querkräfte bestmöglich auf mehrere, sehr kompakt bauende Ultra-Hochpräzisions-Hybridlager verteilt. Der schlanke, lange Spindelkopf ist somit zugleich ein willkommenes Resultat dieser besonderen Anforderungen. Besondere Relevanz in Bezug auf dynamische Steifigkeit, Standzeit der Werkzeuge sowie erzielbare Präzision am Werkstück erfährt die Spindel somit durch ihre charakteristische Lageranordnung, welche auch für einen hervorragenden Rund- und Planlauf der HSK-A80-Schnittstelle sorgt.

Eine weitere Besonderheit ist das niedrige Gewicht, das ca. 50 kg unter vergleichbaren Spindeln liegt. Dies unterstützt die Dynamik der Maschine bei Linear-, Positionier- und Schwenkbewegungen. Über den eingebauten Beschleunigungssensor werden Schwingungen bzw. positive und negative Beschleunigungen in allen drei Achsen stetig registriert. Dieses Profil kann sowohl in Echtzeit abgerufen werden und unterstützt so massgeblich die optimale Einstellung der Prozessparameter – als auch, dass die Signale im Falle einer Kollision in einem einer Black-Box ähnlichen Speichergerät erfasst werden können. Hier lässt sich dann im Nachgang auslesen, in welcher Richtung (x, y, z) die Hauptbewegung stattgefunden hat, genauso wie festgestellt werden kann, wie die jeweiligen Funktionsparameter vor, während und nach dem Crash-Event waren. Keine Anregung von Eigenschwingungen gegenüber dem umgebenden System der Werkzeugmaschine über den gesamten Drehzahlbereich bis 20 000 U/min war ein weiteres Entwicklungsziel, um letztendlich auch in diesem Bereich enge Bearbeitungstoleranzen und hohe Oberflächengüten in jeglicher Bearbeitungssituation möglich zu machen.

Schlüssiges Gesamtkonzept

Die Step-Tec HPC240 Aero gestattet Anwendern im Bereich Energie und Aerospace Grob- und Feinbearbeitung in einer Aufspannung, was zu einem optimierten Preis-Leistungs-Verhältnis führt – gerade wenn es darum geht, die Kosten im kleinen bis mittleren Losgrössenbereich niedrig zu halten. Step-Tec hat sich gerade in der anwendungsspezifischen Auslegung von Motorspindeln einen Namen gemacht. Hier hat der Kunde die Möglichkeit, seine speziellen Anforderungen in einer seinen Wünschen gerecht werdenden Lösung umzusetzen, sei es beispielsweise auch im Bereich kryogener/CO2-basierter Kühlung. Projiziert auf den TCO (Total Cost of Ownership) ergibt sich damit selbst bei einem leicht höheren Einstandspreis in der Beschaffung oftmals die Lösung mit der höchsten Rentabilität. SMM

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