ASD-H20A / UASD-H20A

Betrieb außerhalb von Kritischen bis Nenndrehzahl

Die radialen und axialen Steifigkeiten unserer Werkzeugspindeln werden durch die Spindelkonstruktion und das patentierte aerostatische Lagersystem von keiner anderen Werkzeugspindel erreicht. Durch die Fliehkfraftdehnung und thermische Dehnungen steigen diese mit der Drehzahl und erlauben eine auf dem Markt eine einzigartige Resonanzfreiheit. Während alle sonstigen Hochfrequenz-Werkzeugspindeln kritische Drehzahlen aufweisen, bei denen die Drehfrequenz eine der starrkritischen Eigenfrequenzen des Welle-Lager-Systems kreuzen, bleiben alle unserer Werkzeugspindel durch die hohen Lagersteifigkeiten unterkritisch.

Bei nebenstehender Messung unserer ASD060H25 wurde der Schwingweg an dem Werkzeug mit Drehfrequenz mittels eines hochauflösenden und schnellabtastenden kapazitiven Wegsensors durchgeführt. Für jede Drehzahl erhält man somit ein FFT-Spektrum, welches die Fundamentale (drehfrequente) als auch die Eigenschwingungen der Spindel bei betreffender Drehzahl erhält. Werden alle FFT-Spektren nach der Drehzahl aneinander gereiht, erhält man ein 3D-FFT-Wasserfalldiagramm, welches zur Vereinfachung von oben betrachtet wird. Darüber hinaus repräsentieren die weiße Bereiche die FFT-Spitzen, welche die Fundamentale als auch die Resonanzen bei jeweiliger Drehfrequenz darstellen. Da sich die anregende und drehfrequente Frequenz bei jeder Drehzahl/-frequenz stets unter den beiden starrkritischen (konische, zylindrische) und der Wellenbiegekritischen befindet (ausgelöst durch die Restunwucht), bleibt die Spindel für jede Drehzahl unterkritisch. Auch unsere (U)ASD-H20A wird in beiden Drehzahlvarianten – 120.000 und 15.000 Upm – und kleinen Werkzeugen/-haltern unterkritisch betrieben und erlaubt somit eine dynamisch immer optimale Nutzung über den gesamten Drehzahlbereich.

Für den Anwender bedeutet dies nicht nur äußerst geringe Schwingschnellen, sondern gleichzeitig einen einzigartig geringen dynamischen Rundlauf über den gesamten Drehzahlbereich der Spindel, ohne Einschränkungen.

Dynamischer Rundlauf und Schwingschnellen mit Drehzahl

Die kompromisslos optimierte Wellendynamik, gepaart mit der hohen Steifigkeit des patentierten Lagersystems, ergibt ein resonanzfreier Betrieb unserer (U)ASD-H20A über den gesamten Drehzahlbereich und mit kleinen Werkzeugen.

Durch die hochspezialisierte Fertigungstechnologien der Levicron GmbH können zudem statische Rundläufe des Spindelkonus von kleiner 50 nm garantiert werden.

Der Anwender erhält eine Hochgeschwindigkeitsspindel, die trotz ihrer hohen Drehzahlen ein dynamisch neutrales Verhalten über den gesamten Drehzahlbereich und dynamische Rundläufe von unter 1 µm bietet.

Rotationstreue (Error-Motion)

Definition: Der Zahlenwert der Error-Motion umfasst alle Synchron- und Asynchronfehlerabweichungen der Wellenrotation von einer hiervon gemittelten Rotationsachse, ohne den fundamentalen Synchronfehler (Fundamentaler Synchronfehler = Dynamischer Rundlauf).

Levicron entwickelte eigene Prüfstände und mathematische Verfahren für die Messung und Auswertung der Spindel-Rotationstreue (Error-Motion). Hierbei wir durch ein spezielles Auswerteverfahren der Spindelfehler von dem Fehler des angemessenen Objektes (z. B. Kugel) getrennt. Mit hochauflösenden und schnell abtastenden kapazitiven Sensoren und einer eigenen Auswertungssoftware wird die Rotationstreue aller ultrapräzisen Motorspindeln verifiziert. Unsere (U)ASD-H20A werden mit einem Error-Motion-Wert von kleiner 50 nm spezifiziert.

Werkzeugein- und -umspanngenauigkeiten

Die hochspezialisierten Fertigungstechnologien der Levicron GmbH erlauben einen garantierten statischen Konusrundlauf von unter 50 nm. Mit den gleichen Fertigungsmethoden stellt die Levicron GmbH zusätzlich ihre ultrapräzisen HSK-Werkzeughalter UTS-x her. Diese kennzeichnen sich durch garantierte statische Rundläufen amWerkzeug von unter 0.8 µm und einer Auswuchtgüte von G0.3 mm/s bei 60.000 rpm.

In dem nebenstehenden Kundenversuch (oben) wurde der statischer Rundlauf an einem Referenzdorn mit einer HSK-E25 Schnittstelle und 185 mm von der Spindelnase entfernt gemessen. Der gemessene Wert von unter 0.5 µm bestätigt die Kombination aus Konusrundlauf und Werkzeughalterqualität.

Desweiteren werden intern die Einspanngenauigkeiten standardmäßig für jede Spindel im 4 x 90° Umschlagwuchten bei Nenndrehzahl durchgeführt (unten). Hierzu wird eine unserer UTS-x Werkzeugaufnahmen gegenüber der Welle vier Mal um 90° gegenüber der Welle verdreht, gespannt und die resultierende Restunwucht der gesamten Spindelwelle ermittelt. Von einen der Ecken des sich ergebenden Vierecks zu dessen Mittelpunkt ergibt nach Umlage der Unwucht auf die Exzentrizität der Aufnahmenmasse gegenüber der Drehachse die radiale Wiederholaufspanngenauigkeit. Diese wird für unsere (U)ASD-H20 mit besser 0.3 µm spezifiziert.

Axiales Wellenwachstum und Durchwärmzeit

Wie in nebenstehendem Versuchsschrieb ersichtlich, erlaubt die hocheffiziente Dünnfilmflüssigkeitskühlung eine Durchwärmzeit von kaltem Zustand und Stillstand auf Nenndrehzahl – 80.000 Upm, in diesem Fall – von unter 3 Minuten. Dies erlaubt einen stabilen und mit der Zeit absolut unveränderlichen Betrieb der Spindel bei gleichbleibender Drehzahl ab dieser Zeitdauer. Verglichen mit anderen Werkzeugspindeln (sei es wälz- oder gasgelagert) ist dies um ein vielfaches kürzer.

Die einzigartige Spindelkonstruktion kompensiert die durch die verwendete Dünnfilm-Flüssigkeitskühlung minimierten thermischen Restdehnungen mit der Fliehkraftdehnung. Sie weist zum Beispiel für unsere ASD120H20 (120.000 Upm) ein axiales Spindelwachstum von unter 4 µm auf (für den Betrieb von kaltem Zustand und dem Stillstand bis durchgewärmt und 120.000 Upm). Die axiale Wellendehnung im gelben Bereich des nebenstehenden Diagramms (ASD060H25A) ist fliehkraftbedingt. Hier weitet sich die Welle aufgrund der Fliehkraftlast auf, wird kürzer und zieht sich in das Spindelgehäuse. Durch die hierzu optimierte Spindelkonstruktion wird dies folglich durch das nachfolgende thermische Wachstum im roten Bereich des Diagrammes kompensiert.