Um die Zerspanung zu optimieren, müssen die Drehzahl des Zerspanungswerkzeugs und die Linearachsgeschwindigkeit, mit der sich das Werkzeug bewegt, im Gleichgewicht sein, um so die Metallabtragung, Maschinenleistung und Leistung des Zerspanungswerkzeugs zu maximieren. Es folgen Hintergrundinformationen, die Ihnen helfen sollen, Ihre Maschinenleistung zu optimieren.
In der CNC-Bearbeitung ist die falsche Spindeldrehzahl ein verbreiteter Fehler. Jeder Werkstoff und jeder Schnitt hat ein ideales Werkzeugprofil und eine ideale Schnittgeschwindigkeit. Werkzeuge mit größerem Durchmesser erfordern langsamere Schnittgeschwindigkeiten. Die Spindeldrehzahl und die Vorschubgeschwindigkeit für einen bestimmten Schnitt müssen mit Blick auf die beste Bearbeitungsqualität, sowie auf die längste Lebensdauer des Werkzeugs und der Spindel abgestimmt werden. Ein Frequenzumrichter steuert die Spindelgeschwindigkeit. Alle Spindeln sind 3-Phasen-Asynchronmotoren, die eine stufenlos variable Drehzahl von 0 U/min bis zur angegebenen Maximaldrehzahl ermöglichen. Die Drehzahl kann erreicht werden, indem Ihr Frequenzumrichter passend zur Spindel programmiert wird.
Die Vorschubgeschwindigkeit des Zerspanwerkzeugs muss proportional zur Spindeldrehzahl eingestellt werden. Eine Veränderung einer dieser Parameter zieht eine Veränderung des anderen nach sich. Zu niedrige Vorschubgeschwindigkeiten reduzieren die Lebensdauer des Werkzeugs als Folge von Überhitzung. Dies kann außerdem zu Brandflecken auf dem Werkstück führen. Ein zu langsam bewegtes Werkzeug baut Hitze auf, da nicht genug Material entfernt wird, um die Schnittstelle zu kühlen. Die beste Vorschubgeschwindigkeit beruht auf Erfahrung und systematischem Ausprobieren zum Erzielen der besten Resultate. Die hier aufgeführte Tabelle mit Vorschubgeschwindigkeiten bietet mögliche Bereiche für Startwerte. Bei Erstinbetriebnahme sollten Sie im mittleren Bereich beginnen. Ihr Werkzeuglieferant kann Ihnen Schneiddaten für Ihre spezifische Anwendung empfehlen.
Mit dem Begriff Kopfspanungsdicke wird die Dicke eines Spans beschrieben, der von einer Schneide des Werkzeugs entfernt wird. Die Kopfspanungsdicke wird manchmal auch als „Vorschub pro Zahn” bezeichnet. Die Kopfspanungsdicke, also die Radialtiefe des Schnitts eines Zerspanungswerkzeugs bei einer Umdrehung, wird wie folgt berechnet:
Kopfspanungsdicke = Vorschubgeschwindigkeit (Zoll pro Minute) ÷ (Schnittdrehzahl x Anzahl der Schneiden)
Die Kopfspanungsdicke ist ein Faktor, mit dem der Startwert für Schnittgeschwindigkeit (U/min) und Vorschub bei Ersteinrichtung bestimmt werden kann. Bei Holz führt eine zu niedrige Kopfspanungsdicke zu Überhitzung, die erzeugten Spänen sind „staubähnlich“ und können Brandflecken auf dem Werkstück hinterlassen. Bei zu hoher Kopfspanungsdicke wird das Schnittwerkzeug durch das Material geschoben. Dadurch wirken hohe Radiallasten auf die Spindellager, was im Laufe der Zeit zu Spindelversagen, übermäßigem Werkzeugverschleiß und Werkzeugversagen führen kann. Es gibt zwei Fräsmethoden: Gleichlauf- und Gegenlauffräsen. Bei der Holzbearbeitung erzielt das Gleichlauffräsen bessere Resultate mit weniger Ausrissen. Manche sind auch der Meinung, dass hierdurch die Lebensdauer des Werkzeugs gesteigert wird.
Die Kopfspanungsdicke ist nur einer von vielen Faktoren, die zur Bestimmung der Spindelgröße und Maschinenanforderungen nötig sind. Hierzu zählen auch:
Wir möchten Sie ermuntern, sich vor der Inbetriebnahme einer neuen Spindelanwendung bei PDS zu melden, damit wir Ihnen bei der Einstellung der Grundschneidwerte behilflich sein können. Unsere Mitarbeiter besprechen Ihre technischen Fragen gerne mit Ihnen telefonisch oder per E-Mail. Die unten aufgeführte Tabelle zeigt Werte für die Kopfspanungsdicke von üblichen Fräswerkzeugen. Dies sind nicht zu überschreitende Startwerte für die Ersteinrichtung. Die tatsächlichen Werte variieren aufgrund verschiedener Maschinenfaktoren wie Steifheit, Leistung, Zustand der Spannzange, Spindelintegrität, Werkstückaufspannung, Niederhaltung, usw.
Der Zustellungswinkel des Zerspanungswerkzeugs beim Eintauchen wird als Werkzeugeintauchwinkel bezeichnet. Dieser Winkel erzeugt Radial- und Axiallasten, die bei der Materialzerspanung auf die Maschinenspindel und das Zerspanungswerkzeug wirken. Die folgenden Informationen sollen Ihnen bei der Ermittlung Ihrer Grundwerte zur Maschineneinrichtung behilflich sein.
Für Fräsarbeiten ausgelegte schnelllaufende Elektrospindeln sind mit Lagern versehen, die hohe Drehzahlen zulassen und für Radiallasten unanfällig sind (Seitenbearbeitung). Um Leistung und Lebensdauer der Spindellager zu optimieren, sollten die axialen Schneidlasten auf niedrigem Niveau verbleiben. Eine Möglichkeit hierfür ist, einen niedrigen Werkzeugeintauchwinkel von 0º bis 20º vom Tisch zu wählen (bei Vertikalspindeln). Ein niedriger Eintauchwinkel ermöglicht höhere Vorschubgeschwindigkeiten – bei den meisten Anwendungen bis zu 100 % der berechneten Werte. Erfordert das Werkstück einen steilen Eintauchwinkel, muss die Vorschubgeschwindigkeit reduziert werden, um so die Axiallast zu reduzieren, damit die Spindellager keinen Schaden nehmen. Verschiedene Eintauchwinkel können Sie aus der Vorschub-/Eintauchwinkeltabelle ablesen. Bei Nutzung niedriger Eintauchwinkel werden die Axialkräfte minimiert, wodurch die Lager eine längere Lebensdauer haben. Auf alle Fälle ist eine „Kollision“ der Spindel mit dem Tisch, anderen Anbauteilen und dem Werkstück zu vermeiden. PDS bietet Spezialspindeln für Anwendungen, bei denen steile Eintauchwinkel mit hohen Axiallasten nötig sind. Kontaktieren Sie die PDS-Anwendungsgruppe, um Einzelheiten und Empfehlungen zu erhalten.
Es gibt drei Hauptverfahren zur Kühlung von Elektrospindeln: Gebläse, Druckluft und Kühlflüssigkeit. Die effizienteren Methoden ermöglichen höhere Leistungswerte, längere Arbeitszyklen, kleinere Gehäuse und anspruchsvollere Anwendungen. Das Kühlverfahren wird als Option ausgewählt und ist spezifisch für das Spindelmodell.
Gebläsegekühlte Spindeln sind in zwei Varianten erhältlich: mechanisch und elektrisch. Von den drei Verfahren ist die Gebläsekühlung das Verfahren mit der geringsten Wirkung. Bei mechanischenGebläsen befindet sich das Gebläse auf der Spindelwelle und rotiert mit derselben Drehzahl wie die Spindel. Wenn die Spindel sich gerade nicht dreht, wird sie auch nicht gekühlt.
Bei Spindeln mit elektrischem Gebläse befindet sich das elektrische Gebläse hinten an der Spindel. Das Gebläse liefert einen konstanten Luftstrom und Wärmeableitung, unabhängig von der Spindeldrehzahl und egal, ob diese läuft oder steht (nicht rotiert). Das elektrische Gebläse ist ruhiger, preisgünstiger und die beliebteste Kühlmethode.
Druckluftgekühlte Spindeln werden aus massiven Aluminiumbarren oder -stäben gefertigt. Diese Gehäuseversion sorgt für eine höhere Steifigkeit und Vibrationsdämpfung. Der starke Kühleffekt wird erzeugt, indem die Druckluft so geführt wird, dass sie die Wärme von Rotor und Stator ableitet. Druckluftgekühlte Spindeln werden für Hochleistungsanwendungen in rauen Umgebungsbedingungen konstruiert. Der Luftverbrauch variiert je nach Größe und Konstruktion der Spindel.
Flüssigkeitsgekühlte Spindeln sind für den Einsatz mit einem geschlossenen Hilfskühlsystem konstruiert. Flüssigkeitsgekühlte Spindeln werden aus massiven Aluminiumbarren oder -stäben gefertigt. Diese Gehäuseversion sorgt für eine höhere Steifigkeit und Vibrationsdämpfung. Der starke Kühleffekt wird durch den Durchfluss der Kühlflüssigkeit erzeugt, die die Wärme ableitet. Flüssigkeitsgekühlte Spindeln, die eine höhere Leistung erreichen, werden für Hochleistungsanwendungen, eine hohe Einschaltdauer und raue Umgebungsbedingungen konstruiert.
Grundsätzlich gibt es zwei Arten von Spindeln: Manuelle Werkzeugwechselspindeln und automatische Werkzeugwechselspindeln. Die Spindelart wird je nach Anwendung und Größe der Werkzeuge für die Anwendung ausgewählt.
Elektrospindeln mit manuellem Werkzeugwechsel spannen das Werkzeug im Kegelbereich der Spindelwelle mithilfe Hilfe einer Spannzange. Dieses Verfahren bietet ausgezeichnete Steifigkeit bei niedrigen Kosten. Der Nachteil ist, dass die Werkzeugeinrichtung an der Anlage stattfindet und die Maschine bei jedem Werkzeugwechsel zwei bis drei Minuten nicht zur Verfügung steht.
Mit einer automatischen Werkzeugwechselvorrichtung (ATC) ausgestattete Elektrospindeln können in eine CNC-Anlage integriert werden und bieten schnelle Werkzeugwechsel ohne manuellen Eingriff. Im Normalfall nehmen Werkzeugwechselzeiten weniger als 5 Sekunden in Anspruch. Wird für Bearbeitungen mehr als ein Werkzeug benötigt, gewährleistet eine ATC-Spindel eine höhere Produktivität. Bei einer ATC-Spindel werden die Werkzeuge in den Werkzeugträgern voreingestellt. Werkzeugträger werden in der Regel mithilfe eines gefederten Spannsystems in der Elektrospindel gespannt. Die Werkzeugträger werden durch Zusammendrücken von Federn und Öffnen des Spannsystems gelöst (normalerweise mit einem pneumatischen Stellantrieb). Aus Präzisionsgründen und um den Produktionsablauf nicht zu unterbrechen, werden Werkzeuge mithilfe von Einspannvorrichtungen außerhalb der Anlage voreingestellt.
ISO und HSK sind die Werkzeugträger, die in CNC-Fräsen, -Robotern und –Fräsanlagen am häufigsten zum Einsatz kommen. ISO 30 ist beliebter als die kleinen Konusgrößen ISO 25, 20 und 15. HSK 40-, HSK 50- und HSK 63-Werkzeugträger bieten eine bessere Schneidgenauigkeit und -zuverlässigkeit. Ihre Beliebtheit steigt aufgrund ihrer Leistung rapide an.
Planmäßige vorbeugende Wartungsarbeiten sorgen dafür, dass Ihre Spindel weiterhin optimal arbeitet.
Spindelgehäuse, Gebläse und Rohrleitungen müssen sauber bleiben, um einen freien Kühlluftstrom zu gewährleisten. Kegel der Werkzeuge, Hohlräume der Spannzangen, Wellen und Spannzangen mit denaturiertem Alkohol reinigen. Für die Werkzeuge niemals Schmiermittel oder Öle verwenden. Verschmutzte Werkzeuge können zu Fehlausrichtung der Werkzeuge, Unwucht, Durchrutschen der Werkzeuge und schlechten Bearbeitungsergebnissen führen.
Elektrospindeln benötigen eine Warmlaufphase, um optimale Leistung zu erbringen. Niemals eine kalte Elektrospindel unter Last laufen lassen. Zum Warmlaufen die Spindel mit einer Drehzahl von 9.000 U/min 10-15 Minuten lang laufen lassen bzw. solange, bis die Aufnahmen der Spindellagerung eine Temperatur von 36,6°C erreichen (menschliche Körpertemperatur). Während dieser Warmlaufphase können die Lageraufnahmen und die Spindelwelle durch thermische Expansion ihre konstruktiven Abmessungen und Vorspannungen erreichen. Wird eine kalte Spindel mit Last beaufschlagt, führt dies zu vorzeitigem Ausfall der Lager.
Wurde eine Spindel länger als sechs Monate ohne Drehung gelagert, muss vor Spindelbelastung eine verlängerte Warmlaufphase durchlaufen werden. Die Tabelle zeigt die empfohlenen Warmlaufzeiten:
Nach Arbeitsende das Kühlsystem (Gebläse, Druckluft oder Flüssigkeit) sowie die Druckbeaufschlagung der Lager (wenn vorhanden) 10 Minuten lang weiterlaufen lassen. Dadurch wird die Kondensatbildung reduziert, und es gelangen keine Schmutzpartikel in die Hohlräume der Lager.
Zur Reduzierung der Kräfte und der Wärmeentwicklung sowie zur Aufrechterhaltung der Schneidqualität stets scharfe Werkzeuge einsetzen. Beobachten Sie die Stromaufnahme der Spindel. Ein Anstieg deutet auf eine verminderte Schärfe der Werkzeuge hin. Von Werkzeugen erzeugte Wärme kann das Lagerfett überhitzen. Dadurch verdunsten die wesentlichen Komponenten des Fettes, was zur Verringerung der Lagerlebensdauer führt. Die maximale Lagertemperatur der Lageraufnahmen beträgt 65,5 °C. Höhere Temperaturen führen dazu, dass sich die Werkzeugträger in den automatischen Werkzeugwechselspindeln verkanten. Zur Vermeidung von Schäden ist darauf zu achten, dass alle Spindelsensoren korrekt arbeiten.
VORSICHT: Alle Elektrospindeln von PDS mit ATC sind ausschließlich für ISO- oder HSK-Werkzeughalter ausgelegt. BT-Werkzeugträger sind nicht untereinander austauschbar. Es dürfen ausschließlich ausgewuchtete Werkzeuge und Werkzeughalter eingesetzt werden. Alle Werkzeuge sind nach dem Schärfen neu auszuwuchten. Von nicht ausgewuchteten Werkzeugen erzeugte Vibrationen können schnell zur Zerstörung der Lager führen. Verschlissene, zerkratzte oder deformierte Werkzeugträger und Spannzangen durch neue ersetzen, um ein Durchrutschen des Werkzeugs und Unwuchten durch Seitenschlag zu vermeiden. Die normale Lebensdauer von Spannzangen beträgt < 700 Stunden. Durchrutschende Werkzeuge veranlassen Bediener, die Spannzangenmuttern zu stark anzuziehen, was zu Schäden an den Gewinden führt.
Das unten aufgeführte Beispiel zeigt die Einzelheiten der Struktur der Spindelmodellnummer. Es kann vorkommen, dass das Typenschild nur einen Teil der vollen Teilenummer und Konfiguration aufweist. Wenn Sie PDS kontaktieren, stellen Sie bitte sicher, dass Sie die Einzelheiten der Konfiguration kennen, damit die Spindel und die Werkzeugschnittstelle identifiziert werden können.
Unsere geschulten Spindelfachleute helfen Ihnen gerne dabei, Herausforderungen in Ihrer Produktion zu meistern.
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