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Trend geht zu optimierter Kühlung und Online-Überwachung der Spindeln

27.08.2009
Bei Öl-Luft-geschmierter Hochgeschwindigkeitsspindeln sorgen zusätzliche Kühlbarrieren für niedrigere Lagertemperaturen. Zudem ist nun auch eine Online-Überwachung der Spindel möglich. Ein eingebauter 3D-Beschleunigungssensor ermöglicht es, auftretende Vibrationen aufzuzeichnen, um Rückschlüsse auf die Entstehung ziehen zu können. RFID-Technik sorgt für die eindeutige Identifikation der Bauteile.

Die bewährte Öl-Luft-geschmierte HVC-140-Formenbau-Motorspindel diente als Basis, um diese Spindel auf den aktuellen Stand der Technik zu bringen. So wurde die Kühlung der ganzen Spindel optimiert, das heißt, die naturgemäß entstehende, jedoch unerwünschte Statorerwärmung wurde durch eine zusätzliche Kühlbarriere von den vorderen Spindellagern ferngehalten.

Gute Kühlung der Spindel erhöht Lebensdauer und Bearbeitungsqualität

Dies führt nachweislich zu tieferen Lagertemperaturen, was einerseits die Lebensdauer dieser kritischen Bauteile positiv beeinflusst, andererseits die thermische Ausdehnung der Spindelnase und des Werkzeugs noch mehr reduziert. Dies schlägt sich positiv auf die Bearbeitungsqualität und die Teilemaßhaltigkeit nieder. Im gleichen Zuge wurde die polumschaltbare Statorwicklung durch eine 4-polige Wicklung ersetzt, wodurch die bisher aufwändige Polumschaltung entfällt.

Bei der Überarbeitung der Spindelnase wurde zugleich das Labyrinth dahingehend verändert, dass sowohl im Stillstand als auch in Rotation sichergestellt ist, dass bei der Lagerschmierung keine Öltropfen auf das Werkstück gelangen können. Dies ist zum Beispiel eine Forderung bei der Bearbeitung von Graphitelektroden.

Die Sensorik zur Überwachung der Spindel und des Fräsprozesses wurde entsprechend der neuesten Technik (Online-Datenaustausch Maschine-Spindel) nachgerüstet.

Profibustaugliches Modul für die Online-Überwachung

Die bisherige Black Box wurde mit dem SDM2 (Spindeldiagnostikmodul 2) profibustauglich gemacht. Dieses Modul ermöglicht eine Online-Überwachung der Spindel und die Steuerung des Bearbeitungsprozesses. Dazu wird die Spindel über einen Steckeranschluss mit der CNC verbunden.

Darüber hinaus wurde die Zahl der überwachbaren Parameter gesteigert und deren Informationsgehalt verfeinert. Außer den bekannten Istwerten, wie Lager- und Motortemperaturen, Werkzeugwechselsignalen, gefahrenen Drehzahlen – alles aufgezeichnet in Abhängigkeit von der aktuellen Zeit –, wurde eigens ein 3D-Beschleunigungssensor entwickelt und in die Formenbauspindeln eingebaut.

Dieser Sensor macht es jetzt möglich, die bei jeder Bearbeitung auftretenden Vibrationen in allen drei Richtungen X, Y und Z aufzuzeichnen. Aus nunmehr drei richtungsabhängigen Einzelsignalen lassen sich genauere Rückschlüsse in Bezug auf den Entstehungsherd von Vibrationen ziehen, um so den Bearbeitungsprozess gezielt positiv zu beeinflussen. Außer der Richtungszuordnung von Vibrationen wird nun die jeweils letzte Stunde der Ereignisse aufgezeichnet und gespeichert, ähnlich wie beim Cockpit-Recorder in Flugzeugen.

Im Falle eines Unfalls (> 30 g) oder einer sonstigen Fehlfunktion können sämtliche zur Störung führenden Ereignisse reproduziert werden. Daraus können wichtige Rückschlüsse auf den Ausfallgrund gezogen und entsprechende Korrekturmaßnahmen eingeleitet werden, um die Maschinenstillstandszeiten zu minimieren.

RFID in Spindelmodulen sorgt für Klarheit

Frässpindeln, so ausgeklügelt sie auch sein mögen, sind letztlich Verschleißteile, die gewartet und nach Ablauf der Lebensdauer ausgetauscht werden müssen. Einzelne Großkunden (Maschinenbauer) gehen heute dazu über, von ihren Unterlieferanten von Kernbaugruppen ein eingebautes Identifikationssystem zu fordern, im Sinne der Qualitätssicherung und Betriebssicherheit ihrer Maschinen.

Im Gegensatz zur umfassenden Betriebsdatenerfassung über das Spindel-Diagnostik-Modul, das vorwiegend in High-End-Motorspindeln verwendet wird, bietet sich die Technik der Radio Frequency Identification (RFID) als kostengünstiger Datenspeicher an.

RFID bezeichnet ein Verfahren für die berührungslose Datenübermittlung mittels eines elektromagnetischen Feldes. Dieses Identifikations- und Rückverfolgungssystem ist recht einfach und günstig. Die ersten RFID-Anwendungen wurden schon Ende des Zweiten Weltkrieges eingesetzt. Dort diente ein Sekundärradar zur Freund-Feind-Erkennung.

RFID-Tags in den Spindeln enthalten Maschinendaten

Step-Tec hat sich vor einiger Zeit dazu entschieden, in gewissen Spindeltypen passive Transponder (Tags) einzubauen. Darauf finden sich die Spindelidentifikation und auch die Maschinendaten, die das Wartungspersonal darauf abspeichert, bevor die Motorspindel ausgetauscht wird. Mittels Lesegerät kann der Spindelhersteller die Maschinendaten (Event History) auslesen und auswerten.

Somit ist die einwandfreie Identifikation der Motorspindel möglich und im Revisionsfalle eine wahrheitsgetreue Garantiegewährleistung gegenüber dem Kunden möglich. Diese kleinen Glastags fallen kostenmäßig nicht ins Gewicht, bringen aber in der logistischen Betreuung einer Motorspindel über den gesamten Lebenszyklus merkliche Einsparungen.

Spindellagerschmierung wurde hinsichtlich Kosten optimiert

Spindellager in Hochgeschwindigkeitsspindeln sind meist mit Öl-Luft geschmiert und erfordern eine aufwändige und entsprechend kostspielige Peripherie, die in erster Linie dem Maschinenbauer zu Buche schlägt. Lebensdauer-Fettschmierung wiederum setzt den Lagerdrehzahlen physikalische Grenzen, wegen der Fettgebrauchsdauer beziehungsweise der Fettdegeneration, was den Einsatz in Formenbau-Motorspindeln höherer Drehzahl bisher verhinderte.

Die optimale Lösung zwischen den beiden bekannten Schmiersystemen zeichnet sich durch das Fettnachschmiersystem aus, das über einen Lebenszyklus gerechnet als das wohl umweltfreundlichste Schmiersystem gilt und den Trend hin zur „grünen Maschine“ weiter ebnet. Step Tec rüstet inzwischen verschiedene Spindeltypen mit diesem Schmiersystem aus.

Fettnachschmiersystem ermöglicht höhere Spindel-Drehzahlen

Im Vergleich der Schmiersysteme können heute mit dem Fettnachschmiersystem von Step-Tec Drehzahlen im höheren Bereich mit ndm-Werten bis zu 1,8 Mio. mit Hybridlagern gefahren werden. Dieser ndm-Wert wird gebildet aus (Lagerinnendurchmesser d + Lageraußendurchmesser D) geteilt durch 2, multipliziert mit der Drehzahl n.

Ein weiterer Vorteil der mit Nachschmierpatronen bestückten Spindeln ist die bis zu 3-fach gesteigerte Lebensdauer im Vergleich zu Einweg-Fettlagern. Dieses Schmiersystem ist durch seine einfache Ausführung robust und wartungsarm.

Die Fettgebrauchsdauer ist damit kein Thema mehr, denn frisches Fett wird ständig zu den Wälzkörpern nachgeschoben. Die hohe Betriebssicherheit dieses Nachschmiersystems und die optimale Positionierung im Kosten-/Leistungsvergleich erklärt den zunehmenden Einsatz solcher Motorspindeln in der Produktion sowie zunehmend auch im Formenbau.

El.-Ing. (HTL) Alois Breitenberger ist Leiter technische Dokumentation bei der Step-Tec AG in CH-4542 Luterbach.

Alois Breitenberger | MM MaschinenMarkt
Weitere Informationen:
http://www.maschinenmarkt.vogel.de/themenkanaele/konstruktion/antriebsundsteuerungstechnik/articles/227320/

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