Die Spindelbetriebsarten 

Zerspanungsleistung – und mehr!

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Die Spindelleistung ist nur ein Produktivitätsfaktor 

Die Entscheidung für die Haupt- oder Arbeitsspindel einer Werkzeugmaschine wird oft nach der zu erwartenden Zerpanungsleistung getroffen. Mit moderner Motor- und Antriebsregelungstechnik bieten Spindeln heute aber weit mehr Anwendungsmöglichkeiten, als die nackten Leistungsparameter zeigen.

 

Drehzahlregelung für konstante Schnittgeschwindigkeit

Die Hauptaufgabe eines Spindelantriebs ist das Erbringen der für die Bearbeitung notwendigen Zerspanungsleistung. Aus Sicht der CNC-Steuerung und der Antriebstechnik befindet sich der Spindelmotor dabei in einem drehzahlgeregelten Betrieb. Die Aufgabe des Spindelantriebs ist es, die vom CNC-Programmierer als S-Wert im CNC-Programm angeforderte Drehzahl der Spindel und damit die Schnittgeschwindigkeit konstant einzuhalten.

Lageregelung und Bahnsteuerbetrieb

Für bestimmte Anwendungsfälle kann es aber erforderlich sein, die Spindel als Rundachse aus dem drehzahlgeregelten Betrieb in die Lageregelung also in den Bahnsteuerbetrieb zu versetzen. Ein einfaches Beispiel ist der Werkzeugwechsel in einer Fräsmaschine. Um das Werkzeug korrekt im Greiferarm und im Magazin spannen zu können, muss die Spindel auf eine definierte Gradzahl gedreht werden. Die dafür vorgesehen Nut der Werkzeugaufnahme wird so orientiert (z.B. 45 Grad), dass das Werkzeug in den jeweiligen Magazinplatz formschlüssig abgelegt werden kann. Die CNC schaltet zu diesem Zweck von Drehzahl- auf Lageregelung um.

Gewindeschneiden - heute in Lageregelung für Spindel und Vorschubachse

Gewindeschneidoperationen (G33) wurden in der Vergangenheit mit drehzahlgeregelter Spindel durchgeführt. Die jeweilige Vorschubachse, meistens die Z-Achse, wurde also auf die drehende Spindel synchronisiert. Diese Kombination aus drehzahlgeregelter Spindel und lagegeregelter Vorschubachse kam jedoch beim Bohren feiner Gewinde an die Performancegrenze. Daher wird heute auch die Spindel beim Gewindeschneiden in Lageregelung versetzt. Dies geschieht automatisch durch die CNC-Sprachbefehle G331 und G332.

Sychronbetrieb von Haupt- und Gegenspindel

Bei Drehmaschinen findet man einen weiteren Anwendungsfall für Spindeln in Lageregelung: den Übergabeprozess eines Drehwerkstücks von der Haupt- in die Gegenspindel. Aufgrund der Werkstückgeometrie muss die Gegenspindel eine bestimmte definierte Winkellage zur Hauptspindel einnehmen, da sonst die Bearbeitungen der Vorder- und Rückseite nicht zusammenpassen würden. Als Beispiel sei ein Mehrkantbauteil an der Greifstelle der Gegenspindel genannt. Der so genannte Synchronspindel-Modus erlaubt eine winkelsynchrone Übergabe selbst bei drehenden Spindeln. Beide Spindeln sind dabei in Lageregelung.

Mehrkantschlagen: Synchronbetrieb mit Übersetzungsverhältnis (Getriebemodus)

Eine spezielle Form des Synchronspindelmodus ist das Mehrkantschlagen oder Polygondrehen. Dabei bearbeitet ein rotierendes Drehwerkzeug ein dazu synchron rotierendes Werkstück. Dieses Verfahren zur Fertigung von Schlüsselflächen bietet eine erhebliche Zeitersparnis im Vergleich zum Fräsen. Das Übersetzungsverhältnis des angetriebenen Werkzeugs und des Werkstücks in der Hauptspindel bestimmt die jeweilige Anzahl der Schlüsselflächen.

Stirn- und Mantelflächenbearbeitung

Im Zusammenhang mit lagegeregelten Spindeln müssen auch die kinematischen Transformationen TRANSMIT und TRACYL erwähnt werden. Mit Hilfe dieser Funktionen lassen sich Konturen auf der Stirn- beziehungsweise Mantelfläche von rotationssymmetrischen Werkstücken in einem kartesischen Werkstückkoordinatensystem programmieren. Diese Konturen werden anschließend umgesetzt in eine Bewegung der Spindel sowie einer Linearachse, typischer Weise der Z-Achse in der Maschine. Auch hier ist die Spindel wieder in Lageregelung.

Fazit

Durch die Möglichkeit, Spindeln neben dem drehzahlgeregelten Betrieb auch in Lageregelung - also im Bahnsteuerbetrieb - zu bewegen, erschließen sich zusätzliche Nutzungsfelder bis hin zur Bearbeitung von Freiformflächen auf Drehmaschinen. In dieser „Königsdisziplin“ übernimmt die lagegeregelte Hauptspindel die Aufgabe einer hochdynamischen Orientierungsachse für die 5-Achstransformation. Der potenzielle Maschinenkäufer sollte also bei der Auswahl der Maschinenspindel nicht nur die Leistungsparameter im Blick haben, sondern prüfen, ob es in seinen Prozessen weitere Anforderungen an die Spindel gibt.

Andreas Grözinger

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