Zusammenfassung:
Ob ein Servo-Antriebskopf Präzision erreicht, hängt zur Hälfte vom Gerät und zur Hälfte von der Einbaulage ab. Dieser Artikel geht vom Verhältnis zwischen Spindelachse und Schwerkraftrichtung aus, erläutert die tatsächlichen Unterschiede zwischen horizontaler und vertikaler Bauweise bei Späneabfuhr, Vorschubkräften und Spannsteifigkeit und stellt eine ingenieurmäßige Methode zur stufenweisen Beurteilung nach der Lage der Bearbeitungsfläche vor – als Referenz für Geräteauswahl und Sondermaschinen-Layout.

1. Zunächst die Begriffe klären: Worin unterscheiden sich Horizontal- und Vertikalbauweise?

In der Branche spricht man von
“Horizontalbauweise
”“Vertikalbauweise
”– gemeint ist damit nicht die Gehäuseform der Maschine, sondern die Ausrichtung der Spindelachse relativ zur horizontalen Ebene. Bei vertikaler Montage steht die Spindelachse senkrecht zur horizontalen Ebene, die Vorschubrichtung verläuft parallel zur Schwerkraftrichtung; bei horizontaler Montage steht die Spindelachse parallel zur horizontalen Ebene, die Vorschubrichtung senkrecht zur Schwerkraftrichtung.

Die Gehäusestruktur beider Varianten kann völlig identisch sein.
YSA
Die Montageflächen des Doppel-Servo-Antriebskopfs sind für verschiedene Montagearten – horizontal und vertikal – ausgelegt; derselbe Antriebskopf kann sowohl direkt auf Rundtakt-Sondermaschinen als auch in mehrstationären Automatisierungsanlagen eingesetzt werden. Sobald sich jedoch die Einbaulage ändert, wirkt die Schwerkraft relativ
“Vorschub
—Werkzeug
—Werkstück
”Die Richtung dieser Kette ändert sich, und alle nachfolgenden Unterschiede leiten sich aus diesem Punkt ab.

Daher sind Horizontal- und Vertikalausführung keine zwei Produkte, sondern zwei Einsatzarten desselben Produkts unter zwei Kraftzuständen. Die eigentliche Auswahl besteht darin, zu beurteilen, welcher Kraftzustand für die vorliegende Bearbeitung günstiger ist.

Zweitens: Auf welcher Seite steht die Schwerkraft – drei abgeleitete Unterschiede

(1) Späneabfuhr: Entgegen oder mit der Schwerkraft in der Bohrung.
Bei vertikaler Montage zeigt die Spindel nach unten, und Späne sowie Kühlschmierstoff müssen vom Bohrungsrand nach oben austreten – dies ist eine Späneabfuhr entgegen der Schwerkraft. Die Spiralnuten des Bohrers müssen die Späne nach oben drücken, was bei tiefen und Sacklochbohrungen besonders mühsam ist; Aluminiumspäne neigen dazu, sich am Bohrungsrand zu stauen und vom Werkzeug ein zweites Mal zerspannt zu werden, was zu Riefen an der Bohrungswand und Maßabweichungen führt. Bei horizontaler Montage verlassen Späne und Kühlschmierstoff unter Einwirkung der Schwerkraft auf natürliche Weise den Bearbeitungsbereich, am Bohrungsrand sammeln sich keine Späne an, und beim Gewindeschneiden in Sacklöchern lassen sich Späne leichter mit dem Kühlschmierstoff austragen. Dies ist der unmittelbarste Vorteil der Horizontalausführung bei der Bearbeitung von tiefen Bohrungen, Sacklöchern und Aluminiumteilen.

(2) Vorschubkräfte: Trägt die Gewindespindel das Eigengewicht oder ein Biegemoment?
Beim vertikalen Vorschub nach unten wirkt das Eigengewicht des Schlittens in Vorschubrichtung; im Rücklauf muss das Eigengewicht überwunden werden. Die Gewindespindel wird im Vorschubabschnitt auf Druck und im Rücklaufabschnitt auf Zug beansprucht; der langfristige Hin- und Herbetrieb ist empfindlicher gegenüber dem Vorspannzustand von Spindelmutter und Lager, weshalb zuverlässige Bremsen oder Gegengewichte erforderlich sind. Bei horizontaler Ausführung steht die Vorschubrichtung senkrecht zur Schwerkraft, die Gewindespindel trägt nur die Vorschubkraft und wird nicht von der axialen Komponente des Eigengewichts beeinflusst; der Preis dafür verlagert sich auf die Struktur
——Spindelkastenüberhang: Die Schwerkraft erzeugt ein dauerhaftes Biegemoment am Ausleger; die Führungsbahnflächen und der Schlitten nehmen die Durchbiegelast auf – je länger der Überhang, desto deutlicher die Auswirkung.

(3) Genauigkeit: Über welchen Pfad gelangt der Fehler ins System?
Der Servo-Bohrkopf selbst erreicht
0,003 mm
Wiederholpositioniergenauigkeit und
12000 rpm
Spindeldrehzahl, aber die Einbaulage verändert den Übertragungsweg der Fehler. Bei vertikaler Bauweise sind die Hauptfehlerquellen Späneansammlungen in der Bohrung und das Umkehrspiel; bei horizontaler Bauweise sind es der Auslegerdurchhang und die Rechtwinkligkeit zur Montagebezugsfläche. Das heißt: Die Einbaulage ändert nicht die Leistungsobergrenze der Maschine, sondern nur die Stelle, an der sie am ehesten anfällig ist.

3. Sechs Bewertungsdimensionen

Übertragen auf die Auswahl lassen sich die genannten Unterschiede anhand der sechs Dimensionen in Tabelle
1 Punkt für Punkt durchgehen. In der Tabelle
“Priorität
”Gibt an, welches Kriterium bei der Beurteilung zuerst geprüft werden sollte: Sobald die vorrangige Dimension feststeht, dienen die nachfolgenden meist nur noch der Bestätigung.

Tabelle
1 Vergleichstabelle zur Beurteilung von horizontaler und vertikaler Montage

Vier, Empfehlungen zur Ausrichtung für vier typische Einsatzszenarien

Tabelle
1 Was hier vorliegt, ist ein Bewertungsrahmen; für konkrete Fertigungslinien lassen sich die empfohlenen Ausrichtungen für gängige Bearbeitungssituationen in einer Tabelle zusammenfassen.
2Es sei darauf hingewiesen, dass es sich hierbei um tendenzielle Empfehlungen handelt; in der Praxis muss stets auf das Spannkonzept und die Taktzeitkalkulation zurückgegriffen werden.

Tabelle
2 Ausrichtungstendenz bei typischen Bearbeitungssituationen

Fünf – vier leicht übersehene Montagedetails

Nach der Festlegung der Ausrichtung entscheiden oft die Montagedetails über die langfristige Stabilität. Die folgenden vier Punkte treten in realen Projekten immer wieder auf.

· Die Passungsrate der Montagebezugsfläche. In horizontaler Ausführung muss die Montagefläche das Kragarm-Biegemoment aufnehmen; die Passungsrate ist hier kritischer als bei vertikaler Ausführung, ebenso die Schraubenvorspannung. Es wird empfohlen, die Bezugsfläche zu schleifen oder zu schaben und die Schrauben in Diagonalfolge schrittweise anzuziehen, um eine geringfügige Verformung des Maschinenkörpers durch einseitiges vorzeitiges Anpressen zu vermeiden.

· Kontrolle des Überhangs. In horizontaler Ausführung sollte der Abstand von der Spindelstirnfläche zur Montagefläche möglichst kurz gehalten werden; ist ein Überhang unvermeidbar, sind zusätzliche Stützungen, eine dickere Übergangsplatte oder das Einbetten des Kraftkopfs in den Spannkörper wirksame Maßnahmen.

· Rücklauf und Bremse. Bei vertikaler Ausführung muss unbedingt sichergestellt werden, dass die Servobremse und das Gegengewicht das Eigengewicht des Schlittens abdecken, da sonst bei Stromausfall oder Not-Halt ein Absinkrisiko besteht – im leichten Fall Werkzeugkollision, im schweren Fall Schäden an Werkstück und Führungsschienen.

· Verlauf von Schmierstoff und Kühlschmierstoff. In horizontaler Ausführung neigt das Führungsschienen-Schmieröl dazu, sich am unteren Ende zu sammeln; Position der Schmierstellen und Rücklaufkanäle sind zu prüfen. Bei vertikaler Ausführung ist ein Eindringen von Kühlschmierstoff entlang der Spindelstirnfläche zu verhindern, ggf. mit Schutzabdeckung und Luftdichtung.

Sechs. Fazit

Der Streit zwischen horizontaler und vertikaler Ausführung ist im Kern die Frage, auf welche Seite die Schwerkraft gelegt wird. Auf die Späneabführungsseite gelegt, erhält man saubere Bohrungen; auf die Strukturseite gelegt, erhält man eine einfache und zuverlässige Einspannung. Bei der Entscheidung geht man schrittweise die Reihenfolge
“Ausrichtung der Bearbeitungsfläche
—Späneabfuhr und Kühlung
—Einspannbezug
—Steifigkeit und Überhang
—Automatisierungstakt
”durch – meist bleibt am Ende nur eine Lösung übrig.

YSA
Beide Ausrichtungen des Doppel-Servo-Antriebskopfs werden unterstützt, was dem Layout mehr Freiheitsgrade gibt, aber die Verantwortung für die Auswahl zurück an den Prozessplaner übergibt. Was wirklich über Erfolg oder Misserfolg entscheidet, ist oft nicht die Wahl zwischen horizontaler oder vertikaler Ausführung, sondern ob die Montagebezugsfläche korrekt ausgeführt wurde und ob die wenigen Millimeter Überhang kontrolliert werden konnten.