Gestaltungsvarianten für Spindellager zur Steigerung der erreichbaren Drehzahlen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christian Brecher
• Fachliche Zuordnung: Konstruktion, Maschinenelemente, Produktentwicklung
• Förderung: Förderung von 2005 bis 2012
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 15683039

• Erstellungsjahr: 2012

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Umfangreiche Optimierungsrechnungen für konventionelle Spindellager haben ergeben, dass der Außenring stets eine engere Schmiegung als der Innenring aufweisen sollte und Schmiegungswerte K unter 90 % generell zu deutlich reduzierten Lebensdauerwerten führen. Für hohe Lasten sollte am Innenring eine enge Schmiegung von mindestens 95 % gewählt werden, für hohe Drehzahlen bieten sich Schmiegungswerte im Bereich von 90 % an. Ein Nenndruckwinkel von 20° stellt einen guten Kompromiss zwischen einer guten Betriebssicherheit durch ausreichende Radialluft und guten Axial- und Radialsteifigkeiten bei vernünftigen Bohr-Roll-Verhältnissen dar. Mit Hilfe dieser Optimierungsergebnisse konnte ein 2-Pkt.-Lager entwickelt werden, das in seinem Temperaturverhalten handelsüblichen Hochgeschwindigkeitslagern deutlich überlegen ist. Seine Steifigkeits-, Verlagerungs- und Lebensdauereigenschaften liegen dabei auf vergleichbarem Niveau. Ein großer Anteil dieser Verbesserung wird durch den Einsatz eines Käfigs aus PEEK, im Vergleich zu den üblicherweise verwendeten Phenolharzkäfigen erzielt. Durch die asymmetrische Gestaltung der Außenringgeometrie von 3-Pkt.-Lagern konnten deren Reibungsverluste deutlich reduziert werden, so dass ihr Temperaturverhalten bei hohen Drehzahlen auf ähnlichem Niveau wie das von handelsüblichen Spindellagern liegt. Gleichzeitig fällt bei dem 3-Pkt.-Lager die Steifigkeit nicht durch Fliehkrafteinflüsse über der Drehzahl ab, so dass hier bei hohen Drehzahlen etwa doppelt so hohe Werte wie in konventionellen Lagern erreicht werden. Es ist dadurch weiterhin möglich, im 3-Pkt.-Lager eine, im Vergleich zu 2-Pkt.-Lagern geringere, Vorspannung des Lagers zu wählen und trotzdem höhere Steifigkeiten unter Drehzahl zu realisieren. Die Lagerreibung und somit die Betriebstemperatur kann durch diese Maßnahme unter das Niveau konventioneller Hochgeschwindigkeitslager reduziert werden. Das Konzept des Lagers mit drehzahlabhängiger Schmiegung hat sich im Versuch als grundsätzlich funktionsfähig erwiesen. Es reagiert jedoch sehr sensibel auf geringfügige Abweichungen der Ist-Geometrie von der Soll-Geometrie, so dass kleine Fertigungsungenauigkeiten im Bereich von 1-2 Mikrometern seine Reibungsvorteile aufheben können. Die federnd angestellte 4-Pkt.-Lagerung erzeugt aufgrund ihrer ungünstigen Kinematik und der vier Kontaktstellen deutlich mehr Reibung als konventionelle Spindellager und eignet sich daher nicht als Lösung für Hochleistungsanwendungen. Sie hat jedoch den Vorteil, dass sie eine in sich geschlossene Festlagerung mit geringer Verlagerung darstellt, die im Falle einer Serienproduktion günstiger als herkömmliche spielfreie Festlagerungen zu fertigen ist und sich durch eine einfache Handhabung auszeichnet. Durch asymmetrische Auslegung der Druckwinkel kann das Reibungsverhalten noch deutlich verbessert werden. Es hat sich gezeigt, dass der Lagerkäfig einen enormen Einfluss auf das Gesamtreibmoment von Spindellagern hat. Handelsübliche Käfige sind bereits für den Einsatz unter hohen Drehzahlen optimiert, so dass sich hier keine großen Verbesserungen erzielen lassen. Eine Optimierung für hohe Laufruhe bei niedrigen Drehzahlen und gleichzeitiger Höchstdrehzahleignung war jedoch bisher nicht möglich. Das Konzept des aufweitungskompensierten Käfigs kann genau dieses Dilemma lösen und im gesamten Drehzahlbereich gute Laufeigenschaften erzielen. Mit Hilfe des Berechnungstools „AdFriC“ können die kinematischen Bedingungen in konventionellen und Mehrpunktspindellagern wesentlich genauer abgebildet werden, als dies bisher der Fall war. Dadurch sind einerseits bessere Optimierungsmöglichkeiten bei der Lagergestaltung gegeben, andererseits können durch Betrachtung bestimmter Kennwerte, wie beispielsweise der lokalen spezifischen Reibleistung oder der maximalen Relativgeschwindigkeiten im Kontakt Rückschlüsse auf die tribologischen Leistungsgrenzen eines Lagers gezogen werden und so eine bessere Auslegung abgeleitet werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Developments for High Performance Machine Tool Spindles. CIRP Annals - Manufacturing Technology, Vol. 56. 2007, Issue 1, pp. 395-399.
  Brecher, C.; Spachtholz, G.; Paepenmüller, F.
  
• Erweiterung des Leistungsbereiches von Spindellagern. Dissertation RWTH Aachen. 2008.
  Spachtholz, G.
  
• Mit intelligenten Lösungen zu optimierter Wertschöpfung - Entwicklungen im Werkzeugmaschinenbau in Wettbewerbsfaktor Produktionstechnik – Aachener Perspektiven, Aachener Werkzeugmaschinen Kolloquium 2008, 5. – 6. Juni 2008, Aachen: Apprimus Verlag, 2008, S. 171-202.
  Bode H., Brecher C., Esser M. et al.
  
• Integrated Machine Tool Design. In: Sustainable Production for Resource Efficiency and Ecomobility - Proceedings ICMC 2010. Chemnitz, 29.09.2010. Auerbach: Verlag Wissenschaftliche Scripten, Neugebauer, R. (Hrsg.), 2010, S. 137-156.
  Brecher, C., Sitte, B., Klein, W.
  
• Machine tool spindle units. CIRP Annals - Manufacturing Technology, Vol. 59. 2010, Issue 2, pp. 781–802.
  Abele, E., Altintas, Y., Brecher, C.
  
• Erweiterung des Einsatzbereiches von Spindellagern durch Modifikation der Rillengeometrie. Konstruktion, 63. Jg. 2011, Nr. 9, S. 84-90.
  Brecher, C.; Spachtholz, G.; Rossaint, J.