Arbeitsspindel

Arbeitsspindel – zentrale Hauptspindel einer Werkzeugmaschine

Die Arbeitsspindel ist eine der wichtigsten Baugruppen einer Werkzeugmaschine. Sie erzeugt beziehungsweise überträgt die für die Zerspanung erforderliche rotierende Hauptbewegung und nimmt dabei das Werkzeug oder – abhängig von der Maschinenart – das Werkstück auf.

Bei einer CNC-Fräsmaschine befindet sich das Fräswerkzeug in der Arbeitsspindel und wird von ihr mit der programmierten Drehzahl angetrieben. Bei einer CNC-Drehmaschine wird dagegen das Werkstück über die Haupt- beziehungsweise Arbeitsspindel in Rotation versetzt.

Die Eigenschaften der Arbeitsspindel haben unmittelbaren Einfluss auf Zerspanungsleistung, Oberflächenqualität, Rundlauf, Bearbeitungsgenauigkeit und Produktivität einer CNC-Maschine.

Aufgabe der Arbeitsspindel

Die wichtigste Aufgabe der Arbeitsspindel besteht darin, die für den Zerspanungsprozess erforderliche Drehbewegung bereitzustellen.

Bei einer CNC-Fräsmaschine übernimmt sie unter anderem folgende Aufgaben:

• Aufnahme des Fräswerkzeugs
• Übertragung des Drehmoments
• Erzeugung der erforderlichen Werkzeugdrehzahl
• präzise Führung des Werkzeugs
• Aufnahme radialer und axialer Bearbeitungskräfte
• Bereitstellung einer definierten Werkzeugschnittstelle
• bei entsprechender Ausstattung Zuführung von Kühlschmierstoff

Die Spindel muss dabei auch unter wechselnden Belastungen möglichst präzise und vibrationsarm arbeiten.

Aufbau einer Arbeitsspindel

Der genaue Aufbau hängt stark von Maschinenart, Leistung und Drehzahlbereich ab. Typische Bestandteile einer Frässpindel sind:

• Spindelwelle
• Spindellager
• Werkzeugaufnahme
• Werkzeugspannsystem
• Spindelmotor beziehungsweise Antrieb
• Gehäuse
• Dichtungen
• Kühlung
• Drehzahl- und Positionssensorik

Bei modernen Bearbeitungszentren bilden diese Komponenten ein hochpräzises Gesamtsystem.

Arbeitsspindel einer CNC-Fräsmaschine

Bei einer Fräsmaschine nimmt die Arbeitsspindel das Werkzeug auf.

Je nach Maschine kommen unterschiedliche Werkzeugschnittstellen zum Einsatz, beispielsweise:

• SK
• HSK
• BT
• CAT
• verschiedene Spannzangensysteme bei kleineren Maschinen

Das Werkzeug wird über einen passenden Werkzeughalter mit der Spindel verbunden.

Entscheidend ist eine möglichst präzise Verbindung zwischen Spindel, Werkzeugaufnahme und Werkzeug, da Rundlaufabweichungen unmittelbar auf die Werkzeugschneide übertragen werden.

Arbeitsspindel einer CNC-Drehmaschine

Bei einer Drehmaschine übernimmt die Arbeitsspindel eine andere Funktion.

Hier wird normalerweise das Werkstück in Rotation versetzt. Auf der Spindel befindet sich beispielsweise:

• Dreibackenfutter
• Vierbackenfutter
• Spannzangenfutter
• Kraftspannfutter
• Planscheibe

Die Drehwerkzeuge befinden sich dagegen im Werkzeugrevolver beziehungsweise Werkzeughalter.

Moderne CNC-Drehmaschinen können ihre Hauptspindel zusätzlich als C-Achse verwenden. Dadurch kann das Werkstück auf definierte Winkelpositionen gebracht und in Verbindung mit angetriebenen Werkzeugen gebohrt oder gefräst werden.

Spindeldrehzahl

Eine wichtige Kenngröße der Arbeitsspindel ist ihre maximale Drehzahl.

Je nach Maschinenkonzept können sich die Drehzahlbereiche erheblich unterscheiden.

Hohe Drehzahlen werden beispielsweise benötigt für:

• kleine Fräser
• kleine Bohrer
• Aluminiumzerspanung
• Kunststoffbearbeitung
• HSC-Bearbeitung
• Gravurarbeiten

Für große Werkzeuge und schwere Schruppbearbeitungen ist dagegen häufig ein hohes Drehmoment bei niedrigeren Drehzahlen wichtiger als eine besonders hohe Maximaldrehzahl.

Schnittgeschwindigkeit und Spindeldrehzahl

Die erforderliche Drehzahl hängt unter anderem vom Werkzeugdurchmesser und der gewünschten Schnittgeschwindigkeit ab.

Für rotierende Werkzeuge kann sie vereinfacht mit folgender Formel berechnet werden:

n = (vc × 1000) / (π × d)

Dabei gilt:

• n = Drehzahl in min⁻¹
• vc = Schnittgeschwindigkeit in m/min
• d = Werkzeugdurchmesser in mm

Ein kleiner Fräser benötigt bei gleicher Schnittgeschwindigkeit eine wesentlich höhere Drehzahl als ein großer Fräser.

Deshalb muss der Drehzahlbereich einer Arbeitsspindel zu den vorgesehenen Bearbeitungsaufgaben passen.

Drehmoment der Arbeitsspindel

Neben der Drehzahl gehört das Drehmoment zu den entscheidenden Leistungsmerkmalen.

Das erforderliche Drehmoment steigt insbesondere bei:

• großen Werkzeugdurchmessern
• hohen Schnitttiefen
• hohen Vorschüben
• großen Spanungsquerschnitten
• schwer zerspanbaren Werkstoffen

Eine Spindel mit sehr hoher Maximaldrehzahl ist deshalb nicht automatisch für schwere Zerspanungsaufgaben geeignet.

Für die Beurteilung einer Arbeitsspindel sollte der gesamte Verlauf von Leistung und Drehmoment über der Drehzahl betrachtet werden.

Leistung der Arbeitsspindel

Die Spindelleistung wird üblicherweise in Kilowatt (kW) angegeben.

Zwischen Leistung, Drehzahl und Drehmoment besteht ein direkter Zusammenhang. Vereinfacht gilt:

P = (M × 2 × π × n) / 60

mit:

• P = Leistung
• M = Drehmoment
• n = Drehzahl

Bei der Auswahl einer CNC-Maschine sollte deshalb nicht nur die angegebene Spitzenleistung betrachtet werden.

Entscheidend ist, welche Leistung und welches Drehmoment im tatsächlich benötigten Drehzahlbereich dauerhaft zur Verfügung stehen.

Motorspindel

Bei einer Motorspindel ist der elektrische Antrieb direkt in die Spindeleinheit integriert.

Dadurch können zusätzliche mechanische Übertragungselemente zwischen Motor und Spindel entfallen.

Typische Vorteile sind:

• kompakte Bauweise
• hohe Drehzahlen
• hohe Dynamik
• geringe Anzahl mechanischer Übertragungselemente
• gute Eignung für HSC-Bearbeitungen

Die im Motor entstehende Wärme muss allerdings zuverlässig abgeführt werden. Motorspindeln besitzen deshalb häufig ein eigenes Kühlsystem.

Riemengetriebene Arbeitsspindel

Bei einer anderen Bauform wird die Spindel über einen Riemenantrieb mit dem Motor verbunden.

Dabei kann über die Wahl der Riemenscheiben ein bestimmtes Übersetzungsverhältnis realisiert werden.

Vorteile können eine vergleichsweise einfache Konstruktion und eine räumliche Trennung zwischen Motor und Spindel sein.

Riemengetriebene Spindeln werden sowohl bei konventionellen als auch bei CNC-gesteuerten Werkzeugmaschinen eingesetzt.

Getriebespindel

Bei Maschinen für schwere Zerspanungsaufgaben kann zwischen Motor und Spindel zusätzlich ein Getriebe eingesetzt werden.

Dadurch lässt sich insbesondere bei niedrigen Drehzahlen ein hohes Drehmoment bereitstellen.

Solche Lösungen können beispielsweise bei:

• großen Bearbeitungszentren
• schweren Fräsmaschinen
• großen Drehmaschinen
• anspruchsvollen Schruppoperationen

von Vorteil sein.

Spindellagerung

Die Lagerung der Arbeitsspindel ist entscheidend für Genauigkeit und Belastbarkeit.

Die Lager müssen sowohl radiale als auch axiale Kräfte aufnehmen und gleichzeitig einen präzisen Rundlauf ermöglichen.

Bei Werkzeugmaschinenspindeln kommen abhängig von der Konstruktion beispielsweise Präzisions-Schrägkugellager zum Einsatz.

Die Lageranordnung und Vorspannung beeinflussen:

• Steifigkeit
• Rundlauf
• zulässige Drehzahl
• Erwärmung
• Lebensdauer
• Schwingungsverhalten

Eine Spindel für 30.000 min⁻¹ stellt dabei andere Anforderungen an die Lagerung als eine Spindel für schwere Zerspanung bei niedrigen Drehzahlen.

Rundlauf

Der Rundlauf gehört zu den wichtigsten Qualitätsmerkmalen einer Arbeitsspindel.

Ein Rundlauffehler führt dazu, dass das Werkzeug nicht exakt um seine geometrische Mittelachse rotiert.

Die tatsächliche Abweichung an der Werkzeugschneide wird allerdings nicht nur von der Spindel bestimmt. Auch folgende Komponenten spielen eine Rolle:

• Werkzeugaufnahme
• Spannzange
• Werkzeug
• Verschmutzungen an den Kontaktflächen
• Auskraglänge

Besonders bei sehr kleinen Fräsern können bereits geringe Rundlauffehler die Standzeit deutlich reduzieren.

Spindelsteifigkeit

Während der Zerspanung wirken erhebliche Kräfte auf Werkzeug und Spindel.

Eine hohe Spindelsteifigkeit reduziert die elastische Verlagerung des Werkzeugs unter Belastung.

Eine unzureichend steife Spindel kann zu:

• Maßabweichungen
• Rattermarken
• schlechter Oberflächenqualität
• erhöhtem Werkzeugverschleiß
• Vibrationen

führen.

Für schwere Fräsbearbeitungen ist deshalb eine steife Spindelkonstruktion besonders wichtig.

Werkzeugspannsystem

Bei Bearbeitungszentren muss das Werkzeug sicher in der Arbeitsspindel gehalten werden.

Automatische Werkzeugwechsler benötigen hierfür ein entsprechendes Spannsystem.

Je nach Spindel- und Aufnahmesystem wird der Werkzeughalter über einen mechanischen Spannmechanismus in die Spindel eingezogen und gehalten.

Für einen Werkzeugwechsel wird die Spannung automatisch gelöst, sodass der Werkzeugwechsler den Halter entnehmen und gegen ein anderes Werkzeug austauschen kann.

Werkzeugaufnahmen

Die Schnittstelle zwischen Arbeitsspindel und Werkzeughalter muss hohe Kräfte übertragen und gleichzeitig eine präzise Positionierung ermöglichen.

Typische Systeme sind beispielsweise:

SK – Steilkegel
Bewährtes Aufnahmesystem für zahlreiche Werkzeugmaschinen.

HSK – Hohlschaftkegel
Für hohe Anforderungen an Steifigkeit, Wechselgenauigkeit und insbesondere auch höhere Drehzahlen geeignet.

BT
Ein ebenfalls weit verbreitetes Steilkegelsystem.

Welches System verwendet wird, hängt von Maschine, Spindelkonstruktion und Anwendungsbereich ab.

Spindelkühlung

Bei hohen Drehzahlen und Leistungen entsteht in der Arbeitsspindel Wärme.

Ursachen sind unter anderem:

• Motorverluste
• Lagerreibung
• Dichtungen
• mechanische Verluste

Eine Erwärmung kann zu einer thermischen Ausdehnung der Spindel und damit zu Positions- beziehungsweise Maßänderungen führen.

Hochwertige Spindeln besitzen deshalb häufig eine geregelte Flüssigkeitskühlung.

Eine stabile Spindeltemperatur trägt zur thermischen Genauigkeit der gesamten Werkzeugmaschine bei.

Innenkühlung

Moderne Arbeitsspindeln können Kühlschmierstoff durch die Spindel und die Werkzeugaufnahme direkt zum Werkzeug führen.

Bei Werkzeugen mit inneren Kühlkanälen gelangt der Kühlschmierstoff dadurch unmittelbar bis an die Schneide.

Vorteile können sein:

• bessere Kühlung
• verbesserte Spanabfuhr
• höhere Prozesssicherheit
• Vorteile bei tiefen Bohrungen
• höhere mögliche Standzeiten

Abhängig von der Anwendung können dafür erhebliche Kühlmitteldrücke eingesetzt werden.

Spindelorientierung

Bei einem automatischen Werkzeugwechsel muss die Arbeitsspindel je nach Maschinensystem eine definierte Winkelposition einnehmen können.

Diese Funktion wird als Spindelorientierung bezeichnet.

Auch bei bestimmten Bearbeitungsverfahren kann eine genaue Winkelposition der Spindel erforderlich sein.

Die Spindelsteuerung benötigt dafür eine entsprechende Positionsrückmeldung.

Arbeitsspindel und CNC-Steuerung

Die CNC-Steuerung gibt der Arbeitsspindel die erforderlichen Befehle.

Typische NC-Funktionen sind:

• M03 – Spindel im Uhrzeigersinn
• M04 – Spindel gegen den Uhrzeigersinn
• M05 – Spindel stoppen
• S – Vorgabe der Spindeldrehzahl

Ein einfaches Beispiel:

S8000 M03

weist die Maschine – bei einer entsprechend üblichen Steuerung – an, die Spindel mit einer programmierten Drehzahl von 8.000 min⁻¹ in der durch M03 definierten Drehrichtung zu betreiben.

Die genaue Bedeutung und Umsetzung einzelner Befehle ist immer von der verwendeten CNC-Steuerung abhängig.

Arbeitsspindel und Vorschub

Spindeldrehzahl und Vorschub müssen bei der Zerspanung aufeinander abgestimmt werden.

Beim Fräsen kann der Vorschub beispielsweise aus:

• Zähnezahl des Fräsers
• Zahnvorschub
• Spindeldrehzahl

berechnet werden.

Vereinfacht gilt:

vf = fz × z × n

Dabei sind:

• vf = Vorschubgeschwindigkeit in mm/min
• fz = Vorschub pro Zahn in mm
• z = Anzahl der Schneiden
• n = Spindeldrehzahl in min⁻¹

Eine Änderung der Spindeldrehzahl ohne entsprechende Anpassung des Vorschubs verändert somit die Spanungsbedingungen an den einzelnen Schneiden.

Schwingungen und Resonanzen

Jede Arbeitsspindel besitzt ein bestimmtes dynamisches Verhalten.

Unter ungünstigen Bedingungen können sich Schwingungen zwischen:

• Spindel
• Werkzeug
• Werkzeugaufnahme
• Werkstück
• Maschinenstruktur

aufbauen.

Das sogenannte Rattern kann die Oberfläche verschlechtern und Werkzeug sowie Spindellager belasten.

Eine Veränderung von Drehzahl, Vorschub, Zustellung oder Werkzeugauskragung kann helfen, einen ungünstigen Schwingungsbereich zu verlassen.

Spindelwarmlauf

Bei präzisen Werkzeugmaschinen kann nach längeren Stillstandszeiten ein Spindelwarmlauf erforderlich sein.

Dabei wird die Spindel nach einem vom Hersteller vorgegebenen Programm schrittweise auf unterschiedliche Drehzahlen gebracht.

Dadurch können sich:

• Lager
• Schmierung
• Spindelwelle
• Kühlung

kontrolliert auf einen stabilen Betriebszustand einstellen.

Insbesondere Hochgeschwindigkeitsspindeln sollten nicht ohne Beachtung der Herstellervorgaben unmittelbar aus kaltem Zustand dauerhaft mit Maximaldrehzahl betrieben werden.

Typische Schäden an Arbeitsspindeln

Arbeitsspindeln sind hochpräzise Baugruppen. Schäden können entsprechend hohe Reparaturkosten verursachen.

Mögliche Ursachen sind:

• Werkzeugkollisionen
• Überlastung
• mangelhafte Schmierung
• Überhitzung
• verschlissene Lager
• Unwucht
• beschädigte Werkzeugaufnahmen
• Verschmutzung der Kegelflächen

Hinweise auf einen möglichen Spindelschaden können ungewöhnliche Geräusche, Vibrationen, erhöhte Temperatur oder eine Verschlechterung des Rundlaufs sein.

Pflege der Werkzeugaufnahme

Die Kontaktflächen zwischen Spindel und Werkzeughalter sollten sauber gehalten werden.

Bereits kleine Späne oder Verschmutzungen können verhindern, dass der Werkzeughalter korrekt anliegt.

Mögliche Folgen sind:

• Rundlauffehler
• schlechtere Oberflächen
• Beschädigung der Aufnahme
• geringere Wiederholgenauigkeit
• erhöhte Werkzeugbelastung

Eine regelmäßige Reinigung und Kontrolle der Werkzeugaufnahme gehört deshalb zur Wartung einer CNC-Maschine.

Auswahl einer Arbeitsspindel

Welche Spindel für eine Maschine geeignet ist, hängt stark vom vorgesehenen Einsatzbereich ab.

Für die Bearbeitung von Aluminium mit kleinen Werkzeugen können hohe Drehzahlen besonders wichtig sein.

Für schwere Stahlbearbeitung werden dagegen häufig:

• hohes Drehmoment
• hohe Steifigkeit
• robuste Lagerung
• ausreichende Dauerleistung

benötigt.

Eine universelle Spindel stellt daher immer einen Kompromiss zwischen Drehzahl, Drehmoment, Leistung, Baugröße und Kosten dar.

Arbeitsspindel oder Hauptspindel?

Die Begriffe Arbeitsspindel und Hauptspindel werden im Werkzeugmaschinenbau teilweise in ähnlichem Zusammenhang verwendet.

Bei Fräsmaschinen bezeichnet die Arbeitsspindel typischerweise die Spindel, die das rotierende Werkzeug aufnimmt.

Bei Drehmaschinen wird häufig von der Hauptspindel gesprochen, da sie das Werkstück beziehungsweise Spannfutter antreibt.

Entscheidend ist jeweils ihre Funktion: Sie stellt die für den eigentlichen Zerspanungsprozess erforderliche Hauptbewegung bereit.

Fazit

Die Arbeitsspindel gehört zu den wichtigsten Baugruppen einer CNC-Werkzeugmaschine. Bei einer CNC-Fräsmaschine nimmt sie das Werkzeug auf und versetzt es mit der erforderlichen Drehzahl in Rotation.

Für die Leistungsfähigkeit einer Spindel sind nicht nur Maximaldrehzahl und Motorleistung entscheidend. Ebenso wichtig sind Drehmoment, Rundlauf, Lagerung, Steifigkeit, Werkzeugaufnahme und thermisches Verhalten.

Erst eine auf die Bearbeitungsaufgabe abgestimmte Arbeitsspindel ermöglicht hohe Zerspanungsleistung bei gleichzeitig guter Maßhaltigkeit, Oberflächenqualität und Werkzeugstandzeit.