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Antriebstechnik

Motorspindel vor Schäden durch Kollision geschützt

| Autor / Redakteur: Andreas Jakob und Arno Wörn / Stefanie Michel

Bild 1: Ein vertikales Bearbeitungszentrum mit dem Motorspindelschutzsystem MS³.
Bildergalerie: 3 Bilder
Bild 1: Ein vertikales Bearbeitungszentrum mit dem Motorspindelschutzsystem MS³. (Bild: Jakob Antriebstechnik)

Kollisionen in spanenden Werkzeugmaschinen verursachen häufig enorme Schäden an empfindlichen Komponenten der Motorspindeln. Deshalb bietet nun der neue Motorspindelschutz eine mechanische Lösung, um bei kollisionsbedingter Überlast den Kraftfluss zu trennen und große finanzielle Schäden zu vermeiden.

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 Standardbearbeitungszentren 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 etwa 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 Werkzeugschneide in das Werkstück und treten aufgrund von falschen Schnittparametern, Verschleiß oder unvorhersehbaren Einschlüssen im Material auf.

85 % der Spindelschäden sind aufLagerschäden zurückzuführen

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 Kilonewtonbereich erreicht werden – Kräfte, die gerade auf die empfindlichen Spindelkomponenten erheblichen Einfluss nehmen (Bild 2).

Häufig sind hier die Motorspindel oder Spindelkomponenten involviert, etwa 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 Stillstandszeiten und dadurch verursachte Produktionsausfälle. Eine Reparatur dauert mitunter bis zu zwei Wochen, während die Maschine aufgrund einer nicht verfügbaren Austauschspindel nicht einsatzbereit ist. Die Behebung eines durchschnittlichen Schadensfalles an einem Bearbeitungszentrum nach einem Crash kostet laut einer Untersuchung des WZL Aachen mehr als 23.000 Euro – eine Zahl, die verdeutlicht, wie sinnvoll es ist, 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.

Kollisions- oderSchadensvermeidung

Dadurch 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 beziehungsweise 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 beziehungsweise -reduktion zugehörig ist (Bild 1). 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.

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