Wie Motorspindeln die Effizienz erhöhen

Eine Hochfrequenz-Motorspindel mit Drehdurchführung macht es möglich, die Standzeit innengekühlter Werkzeuge zu steigern und die Effizienz bei der Bearbeitung zu erhöhen.
(Artikel erschienen am 10.09.18 in MaschinenMarkt | Redakteur Ute Drescher)

Werkzeugsysteme sollen möglichst schnell, lange und effizient arbeiten. Entscheidend ist dabei auch der Einsatz der richtigen Motorspindel mit einer entsprechenden Drehzahl.
Innengekühlte Werkzeugsysteme sind auf dem Vormarsch, machen sie doch die Metallbearbeitung effizienter. Doch wie gelangt der Schmierstoff durch die Bohrungen im Werkzeug direkt zur Schneide? „Dafür ist eine Hochfrequenz-Motorspindel mit einer Drehdurchführung erforderlich“, weiß Dieter Werner. Der Entwicklungsleiter der SycoTec GmbH & Co. KG in Leutkirch empfiehlt den Einsatz der HF-Motorspindel 4040 DC-S-DD: „Damit lässt sich die Standzeit des innengekühlten Werkzeugs wesentlich steigern.“

Zur Erklärung holt Werner aus: Hochleistungswerkstoffe haben eine hohe Warmfestigkeit sowie Verschleißbeständigkeit – Eigenschaften, die für ihren Einsatz erwünscht sind. Gleichzeitig stellen diese Eigenschaften allerdings hohe Anforderungen an die spanende Bearbeitung. Geringe Werkzeugstandzeiten, lange Rüst- und Nebenzeiten sowie erhöhte Werkzeugkosten sind die Folge.

Mit Kühlflüssigkeit dort kühlen, wo die Wärme entsteht
Innengekühlte Werkzeuge – zum Beispiel Bohrer – schaffen Abhilfe: Die Kühlflüssigkeit kühlt die Schneide dort, wo sie erwärmt wird, außerdem entfernt sie gleichzeitig die Späne. „Das steigert die Standzeit des Bohrers erheblich“, nennt Werner einen wichtigen Vorteil. Im Fall des Mikrobohrers in diesem Beispiel kommt ein weiterer Vorteil hinzu: die hohe Bohrtiefe in Relation zum Bohrdurchmesser. Kombiniert mit der Innenkühlung ergibt sich ein kontinuierlicher Bohrvorgang, der nicht nur größere Bohrlochtiefen erlaubt, sondern der – im Vergleich zum konventionellen Bohren – auch schneller abgeschlossen ist.
Neben der Verlängerung von Werkzeugstandzeiten liegt großes Einsparpotenzial in der Vermeidung konventioneller Kühlschmierung. „Zusätzlich zu den Investitionen in die notwendige Anlagentechnik entstehen erhebliche Kosten durch Beschaffung, Aufbereitung und Entsorgung der Kühlschmierstoffe“, erklärt Entwicklungsleiter Werner. Die Kühlschmierstoffe werden nicht nur im Prozess verunreinigt und verschmutzen zugleich die Maschinen. In ihnen wachsen auch Keime, die mit Chemie bekämpft werden müssen. Das stellt eine beträchtliche Gefahr für die Mitarbeiter und die Umwelt dar. „Insgesamt verursacht die Kühlschmiertechnik bis zu 20 % der Fertigungskosten“, rechnet Werner vor.

Laufzeit optimieren
Doch nicht nur innengekühlte Werkzeuge beeinflussen Standzeiten sowie Kosten positiv. Um die Bearbeitungszeiten und damit wiederum die Bearbeitungskosten zu senken, lassen sich auch die Drehzahlen der Motorspindeln und damit die Schnittgeschwindigkeiten erhöhen. Um diese Kostenvorteile an den Kunden weitergeben zu können, hat SycoTec die Produktivität im eigenen Maschinenpark unter die Lupe genommen.
Auf einem Index-Dreh-Fräszentrum G200 YB fertigen die Leutkircher die äußere Freiformfläche eines Turbinenhandstücks für die Geschäftseinheit Dental Drives. Als rotierendes Fräswerkzeug hatte sich bisher ein „Schnellläufer“ bewährt. Allerdings begrenzt dessen doppelte Übersetzung die Drehzahl auf etwa 12.000 U/min.

Schritt für Schritt mehr Effizienz
„Um die Drehzahl zu erhöhen, kombinierte SycoTec eine HF-Motorspindel Type 4033 AC-LN15 mit einer Spezialhalterung der Firma MAS“, erzählt Dieter Werner. Im Ergebnis konnte die Drehzahl fast verdreifacht werden. Mit nun 35.000 U/min sank die Bearbeitungszeit bereits von 21,3 auf 13,2 min.
In einem zweiten Schritt konnte sie durch Vorschuboptimierung weiter auf 12,1 min reduziert werden. Das Endergebnis stand nach der finalen Schnittwertanpassung fest: 11,5 min. Mit einem überschaubaren Aufwand von rund einem halben Tag Umbauzeit und zwei beteiligten Mitarbeitern aus der Entwicklung und Produktion ließ sich unterm Strich eine Laufzeitoptimierung von 9,8 min erzielen. Das entspricht einer Effizienzsteigerung von circa 50 %, da auch die Standzeit der Motorspindel deutlich höher ist, als die des ursprünglich verwendeten Getriebes. Die Werkzeuglebensdauer ändert sich trotz Drehzahlsteigerung kaum.
Spielraum nach oben
Das Ende der Optimierungsmöglichkeiten ist damit allerdings noch lange nicht erreicht. In der Fertigung bei SycoTec ist man sich sicher: „Durch die Modifizierungen der Bahnsteuerung sind theoretisch noch höhere Drehzahlen realisierbar.“ Die Obergrenze wird alleine durch die Maschinensteifigkeit, die Achsdynamik, das Werkzeug und nicht zuletzt die Motorspindel vorgegeben. Bei der eingesetzten HF-Motorspindel von SycoTec wären dies immerhin 80.000 U/min.

* Ute Drescher ist Chefredakteurin unseres Schwestermagazins konstruktionspraxis.
Weitere Informationen: SycoTec GmbH & Co. KG in 88299 Leutkirch