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Feingewuchtete Werkzeuge senken Kosten

24.10.2008
Die Folgen der Unwucht von Werkzeugen sind vielfältig: Die Fliehkraft belastet die Spindellagerung, deren Lebensdauer nach Erfahrungswerten um etwa 50% sinkt. Die Hersteller von Werkzeugmaschinen und Spindeln haben auf diese Erkenntnis mittlerweile reagiert und schreiben vor, ausgewuchtete Werkzeuge zu verwenden. Andernfalls gibt es keine oder nur eingeschränkte Gewährleistung für die Spindel.

Weil sich die Wirkrichtung der Fliehkraft mit der Drehung der Spindel ständig ändert, erzeugt sie Schwingungen. Diese Vibrationen übertragen sich auf die gesamte Maschine und speziell aufs Werkzeug, wodurch sich die Werkzeugstandzeit beträchtlich verschlechtern kann. Erfahrungsgemäß wird die Werkzeugstandzeit bei ungewuchteten Gesamtwerkzeugen (Werkzeugaufnahme mit eingespanntem Werkzeug und Anzugsbolzen) im Schnitt um 10% verkürzt.

Prozesssicherheit und höhere Produktivität

Nun sind diese Vibrationen nicht nur für Spindel und Werkzeug schädlich. Sie beeinträchtigen die gesamte Prozesssicherheit und übertragen sich aufs Bearbeitungsergebnis. Sie erzeugen Rattermarken, die durch zusätzliche Feinbearbeitung beseitigt werden müssen.

Um die Prozesssicherheit und das geforderte Bearbeitungsergebnis zu erreichen, müssen die Schwingungen reduziert werden. Ein Mittel dazu: Reduktion von Drehzahl, Vorschub und Schnitttiefe. Das führt zu ruhigerem Lauf – aber auch zu geringerem Zeitspanvolumen, also schlechterer Produktivität.

Einsparpotenzial einer Wuchtmaschine ist beträchtlich

Die Haimer GmbH in Igenhausen, Spezialist für hochpräzise Werkzeugaufnahmen und Wuchttechnik, verdeutlicht das Problem mit einigen Zahlen: der Stundensatz eines Bearbeitungszentrums beträgt pro Stunde etwa 100 Euro (einschichtiger Betrieb, 1600 Stunden Laufzeit pro Jahr). Bei einer Steigerung der Zerspanleistung von nur 10% spart man 10 Euro pro Stunde. Das sind 16000 Euro pro Jahr – also richtig viel Geld.

Die 10% Steigerung der Zerspanleistung kommen nicht von ungefähr. Erfahrungen aus der Haimer eigenen Produktion und Aussagen von Kunden, die ihre Werkzeuge bereits auswuchten, sprechen eher von noch höheren Werten.

Die Hauptspindeln leben dank Wuchtmaschine länger

Ein willkommener Nebeneffekt ist: Die Spindeln leben länger. Wichtiger als die Kosteneinsparung ist die Zuverlässigkeit der Maschinen. Der Spindeltausch wird planbar. Es gibt keine ungeplanten Maschinenstillstände mehr.

Unter dem Strich kommen über 20 000 Euro zusammen, die man sich mit einem gewuchteten Werkzeugsystem pro Jahr und Maschine sparen kann. Dabei sind Einsparungen durch verbesserte Oberflächengüte, höhere Maßgenauigkeit und weniger Maschinenstillstände noch gar nicht mitgerechnet.

Diese Zahlen relativieren das Argument „Eine Wuchtmaschine ist mir zu teuer“. Denn teuer ist eine Investition nur dann, wenn sie sich nicht oder nicht schnell genug amortisiert.

Wuchtmaschine amortisiert sich in kurzer Zeit

Eine Wuchtmaschine amortisiert sich sehr schnell, wenn man das Einsparpotenzial betrachtet. Oder anders betrachtet: Schon ein Spindelaustausch kostet wesentlich mehr als eine Wuchtmaschine.

Um der Unwucht ein Ende zu machen und die Vorgaben von Maschinen- und Spindelhersteller zu erfüllen, kaufen inzwischen viele Anwender bereits ausgewuchtete Werkzeugaufnahmen. Grundsätzlich ist das eine gute Idee. Aber was ist mit den ungewuchteten Aufnahmen, die im Betrieb schon vorhanden sind? Dass sich gewuchtete und ungewuchtete Aufnahmen vermischen, lässt sich in der Praxis nicht vermeiden.

Ein einziger Arbeitsgang mit einer ungewuchteten Aufnahme bei hoher Drehzahl kann das Bearbeitungsergebnis zunichte machen und die Spindellagerung schädigen. Deshalb sollten alle Aufnahmen gewuchtet werden – am besten im eigenen Haus. Denn wer weiß, ob der Lieferant wirklich sorgfältig wuchtet? Ein Wuchtprotokoll mit schönen Zahlen ist leicht erstellt; doch ohne Wuchtmaschine lässt es sich nicht überprüfen. Haimer rät deshalb, das Wuchten zu einem Teil der Wareneingangs- und Qualitätskontrolle zu machen.

Messversuche schaffen Klarheit

Dass feingewuchtete Werkzeugaufnahmen, wie sie renommierte Hersteller anbieten, ein Schritt in die richtige Richtung sind, ist unbestritten. Doch wie wirken sich die eingespannten Werkzeuge auf die Gesamtunwucht des Systems aus? Die Wuchtspezialisten von Haimer haben sich diese Frage gestellt und mit einem einfachen Versuchsaufbau nach Antworten gesucht.

Auf einer Haimer-Wuchtmaschine Tool Dynamic wurden Messungen mit je einem Weldon-, Spannzangen- und Schrumpffutter sowie einer Messerkopfaufnahme durchgeführt – alles feingewuchtete Haimer-Produkte mit einem Schaftdurchmesser von 20 mm in kurzer Ausführung. Die Messvorgaben waren: Wuchtgüte G = 2,5 bei einer Betriebsdrehzahl von 25 000 min—1, Messverfahren 1 Ebene (statisch).

Unwucht der Aufnahmen war im Toleranzbereich

Zunächst wurde bei den vier verschiedenen Werkzeughaltertypen die Unwucht an sich – also ohne Werkzeug – gemessen. „Bei den Aufnahmen war die Unwucht stets im Toleranzbereich, so wie sie sein sollte“, berichtet Qualitätsleiter Franz Ziegltrum. „Die anschließenden Messungen mit Werkzeugen in diesen feingewuchteten Aufnahmen brachten dann deutliche Unwuchten zu Tage – vor allem bei Werkzeugen mit Spannfläche, die heute noch sehr weit verbreitet sind.“

Bei zylindrischen Werkzeugschäften und symmetrischer Werkzeuggeometrie in Haimer-Schrumpffuttern und Spannzangen ist keine nennenswerte Unwucht aufgetreten. Die gemessenen Werte lagen bei 0,8 beziehungsweise 1,3 gmm. Ziegltrum erklärt: „Werkzeuge mit zylindrischem Schaft und symmetrischen Schneiden tragen nur eine geringe Unwucht in sich. Die Schrumpffutter haben keine beweglichen Teile und spannen das Werkzeug zentrisch. Auch hier entsteht fast keine zusätzliche Unwucht. Bei den Spannzangenaufnahmen ist die Spannmutter problematisch, weil sie unsymmetrisch aufgebaut ist. Deshalb werden die Muttern bei Haimer gesondert gewuchtet – ohne Aufpreis für den Kunden.“

Nach Werkzeugwechsel sollte gewuchtet werden

Dagegen konnten Werkzeuge mit Spannfläche in keinem Fall die Vorgabe erreichen. Selbst in der Weldon-Aufnahme wurde eine tatsächliche Unwucht von 5,5 gmm gemessen, was einer Wuchtgüte von G 8 entspricht und rein rechnerisch lediglich eine Maximaldrehzahl von 7600 min—1 zulässt. Im Spannzangenfutter wurde bei diesem Vollhartmetall-Werkzeug mit Spannfläche sogar eine Wuchtgüte von G 29 und im Schrumpffutter von G 38 festgestellt. Das entspricht Maximaldrehzahlen von 2700 beziehungsweise 1600 min—1.

Für Ziegltrum und seine Kollegen eine wichtige Erkenntnis: „Selbst feingewuchtete Schrumpf- und Spannzangenfutter werden durch unsymmetrische Werkzeuge oder durch Werkzeuge mit Weldon-Spannfläche ganz erheblich unwuchtig. Wer prozesssicher und wirtschaftlich arbeiten will, muss unbedingt nach jedem Werkzeugwechsel neu auswuchten.“

Aufnahme und Werkzeug gemeinsam wuchten

Ein ähnliches Ergebnis brachte die Messung bei der Messerkopfaufnahme: Mit eingesetztem Wendeplattenwerkzeug wurde eine Unwucht von 20,3 gmm festgestellt, was einer Wuchtgüte von G 23 entspricht.

Der Grund: Wendeplatten sind montierbare Teile, die nicht unbedingt immer an der gleichen Stelle sitzen. Weil der Messerkopf an sich durch die Art der Montage (Zapfen mit Bohrung und Spielpassung) eine große Toleranz aufweist, ist die Position des Werkzeugs nicht hundertprozentig definiert.

Nur qualitativ hochwertige Aufnahmen verwenden

„Der Test zeigt beeindruckend“, so Ziegltrum, „dass selbst bei qualitativ führenden Werkzeugen ein Auswuchten mit eingespanntem Werkzeug wichtig ist.“ Zudem verdeutlicht die Messung, dass der Anwender nur qualitativ hochwertige Werkzeugaufnahmen verwenden sollte.

Dann kann er sich bei richtiger Werkzeugauswahl – symmetrisch und ohne Spannfläche – in Bezug auf die Unwucht auf gewisse Spanntechniken verlassen. Durch unsere Schrumpf- und Spannzangenfutter zum Beispiel wird die Notwendigkeit des Wuchtens nach dem Werkzeugwechsel zwar nicht eliminiert, jedoch auf ein notwendiges Minimum reduziert.

Wuchten kann so einfach sein

Beim Thema Auswuchten gibt es oft noch Berührungsängste. Mit der richtigen Wuchtmaschine und einer praxisgerechten Software geht das Wuchten aber einfach und schnell. Der Bediener setzt die Werkzeugaufnahme in die Maschine und wählt im Menü die passenden Vorgaben aus. Von da an sagt ihm die Maschine, was zu tun ist. So ist es jedenfalls bei den Wuchtmaschinen Tool Dynamic von Haimer.

„Unser Konzept sieht vor, dass jeder Mitarbeiter im Fertigungsbereich, der sich mit Werkzeugaufnahmen auskennt, die Maschine ohne großen Schulungsaufwand bedienen kann“, betont Ziegltrum. Das Fachwissen steckt in der Maschine, die – wenn sie mit den notwendigen Daten gefüttert wurde – alle Berechnungen durchführt. Diese Daten werden für jedes Werkzeug einmal erfasst und abgespeichert. Das spart Zeit und verhindert Fehler. Zusätzliche Sicherheit bietet die Benutzerverwaltung.

Beispielsweise kann das Recht, Werkzeugdaten anzulegen oder zu verändern, auf bestimmte Personen beschränkt werden. Die übrigen Benutzer dürfen nur die gespeicherten Werkzeuge aufrufen und nach den hinterlegten Vorgaben auswuchten.

Wuchtvorgang ist weitgehend automatisiert

Der Wuchtvorgang ist weitgehend automatisiert. Bei einem Messlauf wird die Aufnahme in die Wuchtspindel eingespannt und in Drehung versetzt. Die Unwucht verursacht Fliehkräfte, die an der Wuchtspindel mit Kraftsensoren gemessen werden. Die Auswertung des Messsignals übernimmt die Software. Sie zeigt dem Bediener am Bildschirm an, wo er wie viel Material zu entfernen oder dazuzufügen hat. Schließlich stehen ihm zum Unwuchtbeseitigen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung: Als Alternative zum Abbohren kann er so genannte Wuchtringe einsetzen.

Zwei zusammengehörende Ringe, die eine definierte Unwucht haben, werden an einer zylindrischen Stelle auf das Werkzeug geklemmt, um die Unwucht des Werkzeuges auszugleichen. Für diesen Fall gibt die Software exakte Winkelgrade an, wie die Ringe zu drehen sind. Ausgesprochen praktisch ist auch der als Option erhältliche Linienlaser, der direkt am Werkzeug die einzustellende Position anzeigt.

Messvorgang dauert maximal 1 min

Der gesamte Wuchtvorgang ist schnell erledigt. Das Messen dauert maximal eine Minute, und wenn man mit Wuchtringen arbeitet, ist der gesamte Vorgang in zwei Minuten abgeschlossen. Muss man zum Masseausgleich mit dem Werkzeug auf eine Bohrmaschine, dauert das entsprechend länger.

Eine sehr elegante und wirtschaftliche Lösung bietet die neue Tool Dynamic Autodrill von Haimer, die mit einer integrierten Bohreinheit ausgestattet ist. Mit dieser Maschine kann der Bediener in einem Arbeitsgang die Unwucht der Werkzeuge messen und durch Abbohren von Material beseitigen.

Er spart sich den Weg zur Bohrmaschine und erreicht aufgrund der hochgenauen Spannung sowie der präzisen Materialentfernung eine exzellente Werkzeuggenauigkeit. Diese Weiterentwicklung der Haimer Wuchtsysteme führt nach Unternehmensangaben zu einer erheblichen Effizienzsteigerung beim Werkzeugwuchten.

Bernhard Kuttkat | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/produktion/spanende_fertigung/articles/151697/

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