Motorspindelschutz bei Kollisionen

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Kollisionen in spanenden Werkzeugmaschinen verursachen durch hohe Stoßkräfte häufig enorme Schäden an empfindlichen Komponenten der Motorspindeln. JAKOB Antriebstechnik bietet nun mit dem Motorspindelschutz MS³ eine mechanische Lösung, um bei kollisionsbedingter Überlast zuverlässig und unmittelbar den Kraftfluss zu trennen und so große finanzielle Schäden zu vermeiden.

Insbesondere in der modernen Fertigung ist das Erreichen einer möglichst hohen Gesamtanlageneffektivität ein wichtiges Ziel, bei dem es vor allem auf die Reduktion von ungeplanten Stillständen durch Schäden an Anlagen ankommt. Zu den dominierenden Ausfallursachen von sogenannten Standard-Bearbeitungszentren gehören hauptsächlich mangelnde Instandhaltung, Verschleiß und Bedienungsfehler. Laut einer Befragung von 34 Unternehmen durch das IFW Hannover im Rahmen des Make-It-Projektes lassen sich ca. 19% aller Schäden auf Bedienungsfehler zurückführen. Geometrische Kollisionen, durch ungewollte Kontakte zwischen beweglichen Komponenten der Maschine verursacht sind nur ein Teil der Gefahrenquelle. Technologische Kollisionen entstehen durch Überlastsituationen während des Arbeitseingriffs der Werkezugschneide in das Werkstück und treten aufgrund von falschen Schnittparametern, Verschleiß oder unvorhersehbaren Einschlüssen im Material auf.

Horizontales BAZ mit MS3

Horizontales BAZ mit MS3

Im Allgemeinen deutet das sichtbare Schadensbild auf Schäden infolge mechanischer Überlast hin. Versuche am Institut für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) der TU Darmstadt ergaben, dass bereits bei moderaten Geschwindigkeiten Kraftspitzen im zweistelligen kN-Bereich erreicht werden, Kräfte die gerade auf die empfindlichen Spindelkomponenten erheblichen Einfluss nehmen.

Häufig sind hier die Motorspindel oder Spindelkomponenten involviert, ca. 85% dieser Spindelschäden sind wiederum auf Lagerschäden zurückzuführen. Etwa die Hälfte aller Lagerschäden ist auf Verschleiß zurückzuführen, jedoch entstehen immerhin 40% aller Lagerschäden aufgrund von Kollisionen. Im Falle einer Kollision treten zudem sehr oft Folgeschäden an Drehdurchführung und anderen Komponenten auf. Greifen die Anwender für die Reparatur auf den Spindelhersteller zurück, fallen in etwa 70% des Neupreises als Reparaturkosten an; bei kleineren, „externen“ Reparateuren auch noch zwischen 30 und 50%. Direkt beim Hersteller durchgeführte Reparaturen bieten in der Regel 12 Monate Garantieschutz, während „externe“ Anbieter lediglich eine Garantie für ersetzte Komponenten bieten. Entscheidend sind in der Regel aber eher die Folgekosten durch Stillstandzeiten und dadurch verursachte Produktionsausfälle. Eine Reparatur dauert mitunter bis zu zwei Wochen, während die Maschine aufgrund einer nicht verfügbaren Austauschspindel nicht einsatzbereit ist.

Motorspindelschutz bei KollisionenDie Behebung eines durchschnittlichen Schadensfalles an einem Bearbeitungszentrum nach einem Crash kostet laut einer Untersuchung des WZL Aachen mehr als 23.000€ –  eine Zahl die verdeutlicht, wie sinnvoll es ist, hier Abhilfe zu schaffen. Zudem beschränken sich die Schäden selten auf die empfindliche Motorspindel: eine bei einer Kollision in Mitleidenschaft gezogene Maschine weist oftmals nicht mehr die gleiche Genauigkeit auf wie im Ursprungszustand. Hierdurch entstehen in der Folge Qualitätsprobleme durch nur noch mangelhafte Bearbeitung.

Grundsätzlich bieten sich für das beschriebene Problem zwei Lösungsansätze: zum einen die Kollisions- zum anderen die Schadensvermeidung, bzw. Schadensreduktion. Zur Schadensminderung kommen heute häufig sogenannte Condition Monitoring Systeme zum Einsatz. Diese zeichnen sich durch Echtzeitüberwachung festlegbarer Betriebszustände aus. Bei Erkennen einer Überlastsituation leiten sie Gegenmaßnahmen ein. Bei Kollisionen mit geringem Vorschub lassen sich dadurch effektiv Schäden an der Maschine verhindern. Tritt eine derartige Kollision jedoch mit hohen Geschwindigkeiten ein, stoßen solche Systeme schnell an ihre Grenzen. Gründe dafür liegen in langen Reaktionszeiten zwischen Überlasterkennung und Reaktion der Maschine sowie der Massenträgheit der Verfahrachsen.

Klassische Drehmomentbegrenzer oder Sicherheitskupplungen gehören zu Lösungen der zweiten Kategorie und werden zum Schutz häufig zwischen Motor und Übersetzungsgetriebe eingebaut, womit aber lediglich an bestimmten Stellen Schäden vermieden werden können. Nachgelagerte Antriebselemente, wie Lagerungen und Spindelmutter, sind weiterhin dem vollen Kraftfluss ausgesetzt. Ein weiterer entscheidender Nachteil ist die Notwendigkeit einer eigenen Sicherheitskupplung für jede einzelne Antriebsachse sowie die Einschränkung, dass solche Kupplungen nur für den Einsatz in Vorschubachsen mit Kugelgewindetrieben geeignet sind.

Effizienter lässt sich ein solches Bearbeitungszentrum durch das Motorspindelschutzsystem MS³ von JAKOB Antriebstechnik schützen, welches ebenfalls den Lösungen zur Schadensvermeidung bzw. -reduktion zugehörig ist. MS³ ist in der Lage  sowohl axiale als auch radiale Kollisionen zuverlässig zu entschärfen und im Überlastfall den Kraftfluss unmittelbar zu unterbrechen. Es wird an der Trennstelle zwischen Motorspindel und Maschine installiert. Das ringförmige System besteht aus einem Doppelflansch, der kraftschlüssig durch Permanentmagnete und formschlüssig durch eine Kegelplanschnittstelle gefügt ist.

Die zuverlässige Schutzfunktion für die Maschinenkomponenten basiert auf dem abrupten Haftkraft- und Steifigkeitsabfall durch unmittelbare Trennung der Motorspindel von der Maschine beim Erreichen einer definierten Lastgrenze bzw. Kraftspitze. Je nach Kollisionssituation erfolgt das Auskoppeln der Motorspindel durch axialen Aushub oder radiales Ausschwenken. Mit dem Ablösen des motorspindelseitigen Flansches und zunehmendem Luftspalt nimmt dann die Haftkraft der Magnete rapide ab. Im System integrierte Federn erfüllen im Bedarfsfall gleich zwei Funktionen. Sie übernehmen zum einen die Abstützung und schwimmende Führung der Motorspindeleinheit  zum anderen absorbieren sie die kinetische Energie der Kollision und kappen die Kraftspitzen.

Vertikales BAZ mit MS3

Vertikales BAZ mit MS3

Zusätzlich erfassen Sensoren den Fügezustand der Trennstelle und senden bei Trennung ein Signal an die CNC-Steuerung, durch welches die Vorschubachsen unmittelbar reversieren und die Motorspindel freigefahren wird. Anschließend fügen sich die Hälften des Schutzsystems durch ein Zusammenspiel der Federn und Magnete wieder selbsttätig in die Ausgansposition zusammen. Durch die Verwendung einer Kegel-Plananlage können Messungen zufolge hohe radiale Widerholgenauigkeiten (unter 5 μm) erreicht werden.

Für den Anwender ist aber sicherlich auch die Leistungsfähigkeit eines Bearbeitungszentrums nach einem Umbau mit dem Motorspindelschutzsystem MS³ ausschlaggebend. Vergleichsversuche mit unterschiedlichsten Werkzeugmaschinen, jeweils mit und ohne Schutzsystem, haben ergeben, dass die spanende Bearbeitung auch bei anspruchsvollen Aufgaben (beispielsweise bei Schruppbearbeitung mit unterbrochenem Schnitt) ohne Beeinflussung weiterhin möglich ist. Ein unkontrolliertes Ausrücken der Spindel tritt während der normalen Bearbeitung nicht auf.

Motorspindelschutzsysteme vom Typ MS³ überstehen auch mehrfache Kollisionen im Lebenszyklus einer Werkzeugmaschine problemlos. Dazu wurden über 100 unterschiedliche Kollisionssituationen auf einer Testmaschine gefahren. Auch nach Abschluss der Untersuchungen war die Motorspindel noch voll einsatzfähig und es konnten keinerlei relevanten Qualitätseinbußen bei der Bearbeitung festgestellt werden. Mit einem einzigen Motorspindelschutzsystem ist die Werkzeugmaschine also sicher gegen kostspielige Schäden im Falle einer Kollision gewappnet. Bereits nach einer schadenfrei überstandenen Überlastsituation hat sich der Einbau eines solchen Systems auch finanziell amortisiert. Aufgrund der speziellen Anforderungen muss MS³ an die jeweilige Motorspindel und Werkzeugmaschine angepasst werden.

Weitere Informationen und Einblicke in die Wirkungsweise des Motorspindelschutzsystems MS³ erhalten Interessenten auf der Internetseite und dem YouTube-Kanal des Herstellers. Hier ist auch ein Produktvideo verfügbar, welches das Schutzsystem im Einsatz in einer Werkzeugmaschine am PTW der Technischen Universität Darmstadt zeigt.

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