Die Spindel für die harten Fälle

von Gerhard Maier

Insgesamt sind bei Mapal mehrere Hundert Maschinen im Einsatz - davon rund ein Drittel Schleifmaschinen. Das Team von Joachim Fuchs, Fertigungsleiter der Schleiferei, ist unter anderem auch dafür zuständig, hochpräzise Führungsleisten und Werkzeugaufnahmen für Feinbohrwerkzeuge zu schleifen. „Die Werkzeuge und Aufnahmen, die wir hier herstellen, kommen zumeist nur in sehr kleinen Losgrößen. Das sind Sonderwerkzeuge, mit denen unsere Kunden dann oft mehrere Tausend Bohrungen bearbeiten“, erklärt Joachim Fuchs. Dabei kommen in der Regel konventionelle Schleifmaschinen zum Einsatz, da der Rüstaufwand für CNC-gesteuerte Maschinen aufgrund der kleinen Losgrößen zu hoch ist. Bearbeitet werden hochfeste Werksstoffe wie Hartmetall, Cermet und PKD. Insgesamt erlaubt das eingespannte Werkzeug nur einen Toleranzbereich von 3 µm, was eine hochgenaue Bearbeitung von Führungsleiste und Aufnahme erfordert.

Eine knifflige Aufgabe also. Zudem verlangen die hochfesten Materialien den Schleifmaschinen einiges ab – vor allem den eingesetzten Spindeln. „Unsere Kunden wollen beispielsweise für ihre Reibahlen immer härtere Werkstoffe, was uns schon vor Herausforderungen stellt und vor allem die wälzgelagerten Spindeln schnell an ihre Grenzen brachte“, erklärt Joachim Fuchs die Problematik. Vor allem bei PKD konnte es sein, dass die Spindeln schon nach 2-3 Wochen Einsatz Probleme bereiteten. Die standardmäßig eingebauten Spindeln arbeiteten mit 30.000 min-1 und hatten etwa bei Hartmetall keine Probleme. Diamant lässt sich allerdings nur mit Diamant bearbeiten und da muss ein gewisser Schleifdruck erzeugt werden um auch einen Abtrag zu haben. Es erfolgt also immer ein Verschleiß an Diamant-Leiste und am Diamant-Werkzeug. Da die Führungsleisten nur punktuell bearbeitet werden müssen, führt das zu einem unterbrochenen Schnitt und genau dadurch zu den Problemen. Joachim Fuchs erklärt: „Man kann sich das in etwa wie bei einem Bohrhammer vorstellen. Wir drehen das Werkstück und auch die Spindel. Und immer wenn wir mit der Spindel einfahren, gibt es einen Schlag auf die Spindel. Und genau das führt dann schnell zu Schäden an den Wälzlagern.“ Für Mapal hieß das, in einem Turnus von zwei bis drei Wochen,hohe Reparatur- und Wartungskosten. Ein Zustand also, der auf Dauer so nicht tragbar war, nicht nur wegen der Kosten. Denn wer wie Mapal größten Wert auf höchste Produktqualität legt, braucht zwingend stabile Prozesse um das zu gewährleisten. Zusammen mit dem Maschinenhersteller, der SWS Software und Werkzeugmaschinen Schmidt GmbH hat Joachim Fuchs dann verschiedene Lösungsmöglichkeiten diskutiert.

„Der ausschlaggebende Tipp kam dann vom Hersteller. Der hat uns die Spindeln von Hyprostatik empfohlen und auch den Kontakt für uns hergestellt“, erinnert sich Joachim Fuchs. Der nahm dann auch Kontakt mit Jochen Schönfeld, Geschäftsführer von Hyprostatik auf und als dieser dann auch ein Rückgaberecht für seine Spindel einräumte, falls diese das Problem nicht löse, stand einem Test nichts mehr im Wege. „Den Umbau mit der Ansteuerung hat dann SWS für uns übernommen. Die erste Spindel von Hyprostatik kam 2013 zum Einsatz und nach dem das System eingefahren war, lief alles einwandfrei“, erklärt Joachim Fuchs. Und tatsächlich, das Problem war behoben. Die hydrostatische Spindel von Hyprostatik hatte mit dem unterbrochenen Schnitt und dem benötigten Schleifdruck keinerlei Probleme.

Seit 2013 musste keine Spindel mehr wegen Lagerproblemen ausgetauscht werden. Auch wenn laut Joachim Fuchs die Anschaffung etwas teurer war, amortisierte sie sich sehr schnell, da natürlich die hohen Wartungskosten entfielen. „Man darf nicht vergessen, dass die wälzgelagerten Spindeln, kurz bevor sie in die Knie gingen auch für fehlerhafte Bearbeitungsergebnisse, etwa schlechtere Oberflächen sorgten. Das kostet logischerweise auch Zeit und Geld. Es liegt in der Natur der Sache, dass ein häufigerer Wechsel der eingesetzten Spindeln für eine größere Variabilität in der Prozessqualität sorgt. Allein die Tatsache die Spindel nicht mehr austauschen zu müssen, sorgt schon für eine weit bessere und konstantere Prozessqualität“, fügt Joachim Fuchs hinzu. Als weiterer Vorteil stellte sich heraus, dass sich mit der Spindel von Hyprostatik auch höhere Vorschübe fahren lassen, ohne, dass es die Spindel dabei in Mitleidenschaft zieht. Mittlerweile hat Mapal drei verschiedene Hyprostatik-Spindeln für das Innenschleifen mit unterschiedlichen Drehzahlbereichen (30.000min-1, 45.000 min-1, 40.000min-1) im Einsatz. Dazu kommt noch eine Außenschleifspindel. Die Innenschleifspindeln mit den unterschiedlichen Drehzahlen kommen je nach Werkstückdurchmesser zum Einsatz. Jochen Schönfeld erklärt: „Die sehr schnell laufenden Spindeln mit einem Drehzahlbereich ab 40.000 Umdrehungen sind schwieriger herzustellen. Denn bei Innenschleifspindeln kann es sein, dass ein eingesetztes, langes Werkzeug zu Flattern anfängt wenn die kritische Drehzahl erreicht wird. Der Entwicklungsaufwand für laufruhige Spindeln steigt mit der Spindeldrehzahl. Da liegt auch ein großer Vorteil der hydrostatischen Lager gegenüber den wälzgelagerten. Da wälzgelagerte Spindeln keine Dämpfung haben, schwingen diese bei Betrieb nahe der Eigenfrequenz stark.“

Bei den hydrostatischen Lagern hingegen steigt die Gesamtsteife des Lagers mit der steigenden Frequenz. Dadurch komme man laut Jochen Schönfeld erst bei höheren Drehzahlen in einen kritischen Eigenfrequenzbereich – bei gleicher Spindelgeometrie. „Das kommt daher, dass das Öl im Spalt zwischen Welle und Gehäuse der Spindel einen Dämpfungseffekt hat“, erläutert Jochen Schönfeld. Schwingungen werden somit absorbiert. Bei hydrostatischen Spindeln wird im Vergleich zu wälzgelagerten Spindeln die tragende Funktion der Kugeln durch Öltaschen ersetzt, in die laufend Öl hinein gedrückt wird. „Dieses System erfüllt zwei verschiedene Funktionen. Durch den Druck in den Taschen wird die Steifigkeit der Spindel erzeugt und die Spindel gekühlt – die Spindel schwebt auf Öl, auch im Stillstand. Der Durchfluss in die Tasche wird für optimale Steife geregelt. Es gibt aber eben auch eine dynamische Funktion. Wenn Schwingungen auftreten, wird das Öl aus dem Spalt gequetscht, wenn dieser kleiner wird, und im umgekehrten Falle hineingezogen.

Die Bewegung des Öls, die dabei entsteht, führt zu einem Dämpfungseffekt wie beim Stoßdämpfer im Auto“, erklärt Jochen Schönfeld das hydrostatische Funktionsprinzip. Diese Technologie gibt es natürlich schon länger. Hyprostatik, nach eigenen Angaben in dieser Technologie mit führend, geht aber noch weiter. „Wir haben das Regelsystem des Durchflusses in die Tasche revolutioniert. Wir haben die Ölzuführung zur Tasche so gestaltet, dass bei einem höher werdenden Taschendruck der Durchfluss in diese Tasche erhöht wird. Dadurch können wir im Vergleich zu herkömmlichen hydrostatischen Systemen die Spaltsteifigkeit z.B. verfünffachen. Dazu haben wir einen aktiven Progressivmengenregler entwickelt und auch patentiert“, skizziert Jochen Schönfeld die Unterschiede zu herkömmlichen hydrostatischen Systemen. Hinzu komme noch, dass bei schnelldrehenden Spindeln mit den herkömmlichen hydrostatischen Systemen die Belastbarkeit aufgrund der Erwärmung des Öls sinke. Durch den Einsatz der Progressivmengenregler gebe es bei den Spindeln von Hyprostatik im Vergleich dazu keine lokalen Erwärmungen im Lager, somit ist die Belastbarkeit unabhängig von der Drehzahl.

„Im Falle der Mapal-Anwendung lag einer der Vorteile darin, dass die Stöße der Bearbeitung durch die exzellente Dämpfung der steifen Hydrostatiklager nicht zu Verschleiß führen. Die Spindel weist eine unbegrenzte Lebensdauer auf. Durch die hohe Steife und Dämpfung konnte zusätzlich die Abtragsleistung stark erhöht werden“, fasst Jochen Schönfeld noch einmal zusammen, der überzeugt davon ist, dass es noch viele Anwendungen gibt, bei denen die Hyprostatik-Spindeln trotz höherer Anschaffungskosten durch ihre Langlebigkeit und überragende Dämpfung gegenüber wälzgelagerten Spindeln im Vorteil sind. Andere Nutzer schätzen die hydrostatischen Spindeln von Hyprostatik aufgrund der exzellenten Dämpfung, Rundlaufqualität 0,2 µm und Wuchtgüte

cd