Hydraulik Präzisions-Hydraulikzylinder als Vorschubantrieb in Mehrspindel-Drehautomaten

Nur mit Hydraulikzylindern ist der Bau kompakter, dynamischer und schneller Antriebsachsen möglich. Daher werden Mehrspindel-Drehautomaten damit ausgerüstet. Als Vorschubantriebe für Längsschlitten tragen sie zu einer präzisen Positionierung der Werkzeuge bei, sowohl bei sehr langsamen als auch bei sehr schnellen Bewegungen. Ein Grund dafür ist die „schwimmende“ Ringspaltdichtung in den Zylindern.

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Es gibt Maschinenfunktionen beim Zerspanen, für die hydraulische Antriebe einfach prädestiniert sind. Bei den Vorschubantrieben in Mehrspindel-Drehautomaten ist das der Fall. Davon ist der Maschinenbauer Alfred H. Schütte, Köln, überzeugt.

Schütte setzt auf Hydraulikzylinder für Längsschlitten der Drehautomaten

Er verwendet für die Längsschlitten der Drehautomaten Hydraulikzylinder, die auf engstem Raum hohe Kraft, Dynamik, Geschwindigkeit und Positionsgenauigkeit liefern können. Um damit das Maximale „rauszuholen“, hat sich Schütte vor kurzem für die Gleichlaufzylinder mit integriertem Glasmaßstab der Hänchen Hydraulik, Ostfildern bei Stuttgart, entschieden (Bild 1).

Wo zylindrische Metallteile mit komplexer Geometrie in mittleren und großen Serien von der Stange gefertigt werden, kommen Mehrspindel-Drehautomaten zur Anwendung. Seit gut 90 Jahren werden sie bei Schütte gebaut. So brachte der Maschinenbauer 1915 den ersten 4-Spindel-Drehautomaten auf den Markt.

In diesen Maschinen können bis zu vier Werkzeuge gleichzeitig das Werkstück bearbeiten. Dadurch wird die Taktzeit im Vergleich zu einfachen Drehmaschinen mit nacheinander wechselnden Werkzeugen auf einen Bruchteil reduziert.

Präzisions-Hydraulikzylinder erlauben Platz sparenden Vorschubantrieb

Inzwischen baut Schütte Automaten mit bis zu acht Spindeln, die kreisförmig um eine zentrale Drehachse angeordnet sind. Dadurch ist der Bauraum für die Vorschubantriebe der Spindeln sehr begrenzt. Die Lösung dafür sieht der Maschinenbauer in einer kompakten Konstruktion, die ohne Einschränkung anderer Antriebsfunktionen mit Präzisionszylindern von Hänchen Hydraulik möglich ist. Damit kann bei der Schlittenpositionierung eine Präzision genauer als ±1 µm eingehalten werden.

Bis zu 15 Hydraulikzylinder in jedem Automaten installiert

In jedem Mehrspindel-Drehautomaten von Schütte werden bis zu 15 Hydraulikzylinder installiert. Sie sind laut dem Maschinenbauer die Schlüsselkomponenten eines präzisen Antriebssystems. Dazu gehören jedoch auch die Ventile und die übergeordneten, elektronischen Lageregelkreise, die für eine Komplettierung der Vorschubantriebe erforderlich sind (Bild 2) – sowie die platzsparend im Mineralgussbett untergebrachten Hydraulikleitungen (Bild 3). Je nach Automat werden die Sollwerte für die Schlittenpositionierung den Lageregelkreisen von einer CNC oder einem Industrie-PC vorgegeben.

In den neunziger Jahren hat Schütte damit die klassischen mechanischen Antriebe mit Kurvensteuerung abgelöst. Seitdem kommen auch elektrische Spindelantriebe zum Zug. Auf sie setzt der Maschinenbauer bei besonders langen Hüben. Hydraulikantriebe seien dazu nicht geeignet. Als Grund dafür wird der eingeschränkte Ventildurchfluss angesehen. Er erreiche bei 100 bar Systemdruck maximal 25 l/min. Wäre ein höherer Durchfluss möglich, könnten die Zylinder von Hänchen Hydraulik andere Dimensionen bewältigen.

„Schwimmende“ Ringspaltdichtung in Hydraulikzylindern minimiert Reibung

So werden die hydraulischen Antriebe in den Maschinen mit einer Vorschubkraft von maximal 4500 N betrieben, um das Werkstück bei bis zu 7000 min–1 Umdrehung sowie 50 Nm Drehmoment zu bewegen. Dabei treten keine Querkräfte an den Zylindern auf, die Hänchen Hydraulik daher mit einer „schwimmenden“ Ringspaltdichtung ausgestattet hat – in so genannter Servofloat-Qualität (Bild 4). Das bedeutet nach Angaben des Zylinderherstellers: Das Kolbenstangendichtungssystem arbeitet nahezu reibungsfrei.

Der Stick-Slip-Effekt ist minimiert. So kommt es bei äußerst langsamen, aber auch bei sehr schnellen Zylinderbewegungen zu einem berührungsfreien Druckabbau. Die Leckage bleibt gering.

Die Abdichtung in Servofloat-Qualität wirkt sich daher positiv auf die Positioniergenauigkeit der Gleichlaufzylinder aus. Im Vergleich zu Querschlitten mit Differentialzylinder, die Schütte in verschiedene Automaten einbaut, ist aufgrund des symmetrischen Aufbaus und der berührungsfreien Stangenabdichtung keine elektronische Kompensation erforderlich.

Integration der Hydraulikzylinder in Längsschlitten verlangt hohe Zuverlässigkeit

Die Abdichtung zwischen Kolbenstange und Zylinder funktioniert nach folgendem Prinzip: Beim Start wird über die Zylinderkammern ein hydrodynamischer Ölstrom in der Ringspaltdichtung aufgebaut, die sich dadurch ohne metallische Berührung „schwimmend“ radial um die Kolbenstange zentriert. Bei anliegendem Druck verformt sich eine Stahlbüchse und bildet einen berührungsfreien Drossel- und Dichtspalt im Hundertstel-Millimeterbereich.

Dieses Abdichtprinzip funktioniert jedoch nur bei einer Maßgenauigkeit der Zylinderteile im Bereich weniger Mikrometer. Werde diese Genauigkeit nicht erfüllt, so Hänchen Hydraulik, führe die Leckage zu hohen hydraulischen Verlusten. Die Ringspaltdichtung verliere ihre druckabbauende Funktion. Austretendes Leckage-Öl werde dann drucklos über einen Sammelanschluss in den Fluidkreislauf zurückgeführt.

Dieses berührungsfreie Dichtsystem trägt wesentlich zu einem wartungsfreien Betrieb der Hydraulikzylinder bei. Weil die Zylinder direkt in die Schlitten eingebaut werden, wäre ein Dichtungswechsel oder gar ein Zylinderaustausch sehr aufwändig, heißt es. Dazu kommt der Preisvorteil bei der Anschaffung der Zylinder mit schwimmender Ringspaltdichtung. Im Vergleich zu Zylindern mit hydrostatisch gelagerten Kolbenstangen liegt er laut Hänchen Hydraulik bei etwa 30%.

Diesem Vorteil steht nur die Einschränkung der niedrigeren zulässigen Seitenkräfte gegenüber. Dagegen müssen bei Kraft, Dynamik, Positioniergenauigkeit und Bauraum keine Kompromisse eingegangen werden.MM

Weitere Informationen: Herbert Hänchen GmbH & Co. KG

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