Erweiterung des Leistungsbereiches von Spindellagern

Der fortwährende Anspruch an Unternehmen in Hochlohnländern, die Effizienz ihrer Fertigungsprozesse zu steigern, resultiert in einer Erhöhung der Leistungsfähigkeit der eingesetzten Werkzeugmaschinen. Ein wesentlicher Entwicklungsschwerpunkt ist die Weiterentwicklung der Lagerung von HSC- und HPC-Werkzeugmaschinenhauptspindeln, die über ihre Drehzahleignung und ihre statischen und dynamischen Eigenschaften signifikanten Einfluss auf die Maschinenperformance ausübt. Die vorwiegend eingesetzten, hochgenauen Schrägkugellager weisen jedoch ein ausgeprägt drehzahlabhängiges Verhalten auf. Bedingt durch Zentrifugalkräfte, Betriebslasten und thermische Effekte resultieren abfallende Steifigkeitskennwerte, ansteigende Oberflächenpressungen sowie kinematisch bedingte Verlagerungen der Spindelwelle. Verschärft wird diese Problematik durch Mischreibung im Wälzkontakt beim Hoch- bzw. Herunterfahren der Spindel sowie auch im Höchstdrehzahlbereich.§Der vorliegende Beitrag beschreibt Arbeiten zur Erweiterung des Leistungsbereiches von Spindellagern, die auf neuartigen Kinematikkonzepten unter Berücksichtigung von explizit für das Spindellager entwickelten PVD-Beschichtungen zur Erhöhung der Ausfallsicherheit und zur Reduzierung des Verschleißes basieren. Die neuen Lagertypen weisen drehzahlunabhängige Steifigkeitskennwerte sowie eine optimierte Lastverteilung auf. PVD-Beschichtungen ermöglichen eine Verbesserung der Notlaufeigenschaften der Spindellager bis hin zum schmierstoff- und verschleißfreien Betrieb bei höchsten Drehzahlen. §Im ersten Teil der Arbeit werden zwei grundlegende Ansätze zur Neugestaltung der internen Lagergeometrie und somit zur Optimierung der Lagerkinematik vorgestellt. Die Entwicklungsarbeiten fokussieren einerseits auf so genannte Mehrpunkt-Spindellager mit einer erhöhten Anzahl an Wälzkontakten pro Kugel, andererseits auf einen Lagertyp mit zwei Wälzkontakten und drehzahlabhängiger Außenringschmiegung. Des Weiteren werden Optimierungsansätze für die tribologischen Bedingungen im Wälzkontakt durch eine a-C:H:W-Beschichtung der Lagerlaufbahnen erarbeitet. Die Leistungsfähigkeit der in Kooperation mit renommierten Lagerherstellern angefertigten Lagerprototypen wird auf Hochgeschwindigkeitsprüfständen sowie im Praxistest auf einer 5-Achs-Werkzeugmaschine nachgewiesen.