Kompakte Luftlagerspindeln für die spanende Mikrobearbeitung auf Desktop-Werkzeugmaschinen

Kurzfassung

Steigende Anforderungen an die Miniaturisierung von Bauteilen und die Funktionalisierung von Oberflächen erfordern eine hohe Fertigungsgenauigkeit und zudem wirtschaftliche Prozesse. Eine effiziente Möglichkeit, Teile und Strukturen im Mikrobereich herzustellen, ist die spanende Mikrobearbeitung auf Ultrapräzisionswerkzeugmaschinen. Kommerziell erhältliche Ultrapräzisionswerkzeugmaschinen übersteigen die Größe von Werkstücken und Mikrostruktur meist um mehrere Größenordnungen. Um den Bauraum der Werkzeugmaschinen zu minimieren und die dynamischen Eigenschaften der Maschinenachsen zu optimieren, werden wesentlich kleinere, auf die Werkstückgröße angepasste Werkzeugmaschinen benötigt. Um diese Miniaturisierung zu erreichen und die Leistungsfähigkeit von Werkzeugmaschinen zu verbessern, müssen neue kompakte Maschinenmodule entwickelt werden. Der Hauptbestandteil einer Werkzeugmaschine ist die Hauptspindel. Diese Spindel muss, um die geforderte Schnittgeschwindigkeit bei der spanenden Mikrobearbeitung zu erreichen, höchste Drehzahlen bei geringster Rundlaufabweichung erreichen.
Diese Arbeit beschreibt die systematische Entwicklung, Konstruktion und den Einsatz innovativer, kompakter Luftlagerspindeln für die spanende Mikrobearbeitung auf Desktop-Werkzeugmaschinen. In den entwickelten Spindeln wird der Werkzeugschaft direkt als Rotor verwendet und wird somit zu einem funktionalen Bestandteil des aerostatischen Lagersystems. Die Spindeln werden über Turbinen angetrieben und erreichen sehr hohe Drehzahlen in Kombination mit hoher Rundlaufgenauigkeit. Nach Integration in eine Desktop-Werkzeugmaschine erfolgen Mikrofräsversuche zur Untersuchung des Einsatzverhaltens der Spindeln. Durch die hohe Drehzahl der Spindeln können sehr hohe Abtragsleistungen erzielt werden. Dadurch wird die Produktivität des Mikrobearbeitungsprozesses deutlich erhöht.

Abstract

Increasing demands on the miniaturization of components and functionalization of component surfaces requires high manufacturing accuracy and economic processes. An efficient way to produce parts and structures in the micro range is micromachining on ultra-precision machine tools. The commercially available ultra-precision machine tools exceed the size of machined workpieces and micro structures by several orders. To minimize the installation space of the machine tools and improve the dynamic characteristics of the axis, much smaller workpiece-size adapted machine tools are required. To achieve this minimization and improve the performance of the machine tools, new small and lightweight modules have to be developed. The major component of a machine tool is the main spindle. To reach the required cutting speed in micromachining, the rotational speed of the spindles have to be increased significantly, compared to spindles, which are used for conventional machining.
This thesis describes the systematic development, construction and application of innovative compact air bearing spindles for micromachining on desktop-sized machine tools. In the spindles, the tool shaft with a micro tool works directly as a rotor and is a functional part of the aerostatic bearing system. The spindles are driven via turbines and reaches very high rotational speeds in combination with high rotational accuracy. After integration into a desktop machine tool, micro-milling tests are carried out to investigate the performance of the spindles. With the high rotational speed of the spindles, very high material removal rates can be achieved. Thus, the productivity of the micro machining process is enhanced.