Entwicklung einer thermoelektrisch temperierten Motorspindel/Development of a thermoelectrically tempered motorised spindle – Integration of Peltier modules in a high-frequency motorised spindle to reduce thermally induced displacements based on direct temperature control
Authors: Uhlmann Eckart , Polte Julian , Salein Sebastian , Iden Nico , Temme Peter , Hartung Dimitri , Perschewski Svetlana 
Published: January 2021

Bei der spanenden Bearbeitung mit Werkzeugmaschinen wird ein signifikanter Anteil der geometrischen Bauteilfehler durch eine thermisch bedingte veränderte Lagezuordnung zwischen Zerspanwerkzeug und Werkstück verursacht. Verantwortlich hierfür sind elektrische sowie mechanische Verlustleistungen, durch die signifikante Wärmeströme in die angrenzenden Komponenten induziert werden. Die Antriebe sowie die Lager von Motorspindeln stellen solche maßgebliche Wärmequellen dar und besitzen aufgrund der Nähe zur Zerspanstelle einen erheblichen Einfluss auf die erreichbare Arbeitsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen. Mit dem Ziel, die thermischen Verlagerungen von Motorspindeln zu reduzieren, entwickelt das Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb (IWF) in Kooperation mit der Alfred Jäger GmbH ein thermoelektrisches Temperiersystem für Motorspindeln. Der Lösungsansatz sieht die Integration von prismatischen sowie tubularen Peltierelemente vor, die eine unmittelbare Temperaturregelung der genauigkeitsbestimmenden Motorspindelkomponenten ermöglichen. Die Realisierung eines geregelten Kühl- und Heizbetriebs bietet insbesondere bei wechselnden Lasten das Potenzial zur Einhaltung eines thermischen Beharrungszustandes und damit zur Reduktion thermisch bedingter Verlagerungen. Die Funktionsweise des thermoelektrischen Temperiersystems sowie die positiven Auswirkungen auf das thermische Systemverhalten werden anhand von experimentellen Daten eines Demonstrators verdeutlicht. Zudem präsentiert der Beitrag den aktuellen Entwicklungsstand einer thermoelektrisch temperierten Motorspindel sowie das Potenzial zur Reduktion thermisch bedingter Verlagerungen.

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During machining of parts, a significant proportion of geometrical errors is caused by thermally induced shifts of the positional correlation between tool and workpiece. This is due to electrical and mechanical power losses, which induce significant heat flow rates into the adjacent machine tool components. The drives and bearings of motorised spindles represent such significant heat sources. Due to their position close to the cutting point, motorised spindles have a considerable influence on the achievable working accuracy of machine tools. In order to reduce the thermal displacements of motorised spindles, the Institute for Machine Tools and Factory Management (IWF) and the Alfred Jäger GmbH develop a thermoelectric temperature control system for motorised spindles. The solution approach is based on prismatic as well as tubular Peltier modules, which allow a direct temperature control of the precision related components. Especially, in case of changing induced heat flow rates, the system offers the Potenzial to maintain a thermal steady state by controlled cooling or heating and thus, a reduction of thermally induced displacements. On basis of experimentally determined data of a scaled-down test bench, the functionality of the thermoelectric temperature control system as well as the positive effects on the thermal system behaviour could be demonstrated. In addition, the current state of development of the thermoelectrically tempered motorised spindle is presented and the Potenzial to reduce thermally induced displacements is pointed out.