Schnelle Zeiten für Maschinenspindeln

Dec 21, 2023

Angetriebene Spindeln sind das technische Herzstück einer Werkzeugmaschine und liefern die Kraft zum Drehen der Schneidwerkzeuge, die unsere Produkte und unsere Welt prägen. Durch die Anbindung an eine Fünf-Achsen-Bewegung entsteht eine fortschrittliche CNC-Maschine. Durch die Anbringung einer Spindel an einem Knickarmroboter entsteht eine Präzisionsbohrmaschine. Wenn Sie ein verbessertes Gerät an eine vorhandene Maschine anschließen, werden neue Anwendungen zum Leben erweckt. Über das gesamte Anwendungsspektrum hinweg wünschen sich Kunden Spindeln mit höherer Haltbarkeit, Geschwindigkeit und der Intelligenz, um Arbeiten ohne Unterbrechung auszuführen.

Die Möglichkeiten für den kreativen Einsatz von Spindeln werden nur dadurch begrenzt, wie viel schneller, langlebiger und intelligenter die heutigen Spindeln werden.

Laut Greg Nottoli, Senior Product Manager bei NSK America Corp., Hoffman Estates, Illinois, beginnen Kundenanforderungen mit verbesserter Geschwindigkeit und Genauigkeit. Eine Spezialität von NSK ist die Bereitstellung elektrisch und luftbetriebener Spindeln für Mikrowerkzeuge. Mikrowerkzeuge sind alle Fräs- oder Bohrrundwerkzeuge mit einem Durchmesser von 1/8 Zoll (3,18 mm) oder weniger bis hin zu 0,001 Zoll (0,025 mm). „Ein Werkzeug mit kleinem Durchmesser ist im Grunde eine nasse Nudel, die sehr leicht zu brechen ist. Beim Drehen eines Bohrers oder einer Fräse gilt: Je kleiner der Durchmesser des Werkzeugs, desto schneller muss es sich drehen, um effektiv zu sein“, sagte Nottoli, ohne dabei die Steifigkeit zu verlieren für Genauigkeit. Viele CNC-Maschinen bearbeiten Standardwerkzeuge lediglich mit 8.000 bis 15.000 U/min. Laut Nottoli müssen Mikrowerkzeuge häufig eine Drehzahl von bis zu 42.000 U/min erreichen. „Die Verwendung eines Mikrowerkzeugs mit einer 8.000-U/min-Spindel ist nicht optimal, weil man den Span nicht richtig abführt, nicht die richtige Oberflächenschicht erhält und die Werkzeuge einfach kaputt gehen. Hier schließen wir die Lücke in diesem Spezialmarkt“, sagt er sagte.

Laut Nottoli können die von NSK erhältlichen Spindeln jede Maschine mit einem vorhandenen Werkzeughalter wie CAT 40, 50 oder BT nachrüsten. „Es ermöglicht dem Endbenutzer, diese höheren Geschwindigkeiten zu erreichen“, sagte er und fügte hinzu, dass es sich um echte Spindeln handele, nicht um Geschwindigkeitsvervielfacher, die die Geschwindigkeit einer vorhandenen Spindel in eine höhere Drehzahl umwandeln. Ein Geschwindigkeitsmultiplikator sei „ein Kasten mit Zahnrädern“, sagte er. Während es bei Standardwerkzeugen die erforderliche Geschwindigkeit und Genauigkeit bei minimalem Leistungsverlust bieten kann, führt es auch zu Vibrationen und Wärme. Dies sind Probleme bei der Mikrobearbeitung, bei der die Genauigkeit im Submikrometerbereich angegeben wird.

„Wir haben Spindeln für Drehzentren und Schleifmaschinen oder speziell gebaute Robotermaschinen“, sagte Nottoli. „Wenn es sich um ein Bearbeitungszentrum handelt, bewegt sich unsere Spindel in den Spindelraum der Maschine und sorgt für ihre eigene Drehung.“ Das Bearbeitungszentrum übernimmt die Achspositionierung, die NSK-Spindel die Leistung.

Obwohl Pneumatik und Elektrik jeweils ihre Einsatzmöglichkeiten haben, wies Nottoli auch auf die Vorteile der Elektrik hin. „Das beste Preis-Leistungs-Verhältnis erhalten Sie mit Elektroantrieb. Unsere Elektromotoren sind bürstenlose Gleichstrommotoren mit geschlossenem Regelkreis. Sobald die Drehzahl auf tausend U/min eingestellt ist, hält unsere Steuerung die Spindel auf dieser Drehzahl „Das Schneidwerkzeug greift ein. Bei einer pneumatischen Vorsatzspindel ist das nicht der Fall, da die Drehzahl normalerweise sinkt, sobald sie an einem Teil angreift“, erklärte er. „Wir können versuchen, es mit einem Regler zu kontrollieren. Aber es gibt wirklich kein aktives Feedback, um es zu kontrollieren.“

Die neueste Elektrospindel von NSK, die iSpeed5, erreicht Drehzahlen von bis zu 80.000 U/min bei einer maximalen Ausgangsleistung von 350 W. Es handelt sich um ein vollständig werkzeugwechselbares System bestehend aus Motorspindel, Anschlagblock, Luftdruckschalter und Steuereinheit. Die Spindel wird mit Strom, Kühlluft und Steuersignalen versorgt, wenn sie mit dem elektromechanischen Anschlagblock in Eingriff steht, der an einer Werkzeugmaschinenspindel befestigt ist. Keramiklager ermöglichen diese hohen Drehzahlen.

William Gillcrist, nationaler Produktmanager und Anwendungsmanager für MC Machinery Systems, Inc., Elk Grove, Illinois, stimmte zu, dass mehr Geschwindigkeit und Leistung bei neuen Spindeln wichtig sind, und betonte auch die Genauigkeit. „Bei hochpräzisen Anwendungen muss man sicherstellen, dass sich das Werkzeug vollkommen rund dreht, daher sind Lagertechnologien wichtig“, sagte er. „Unrundheit und die Minimierung des Spindelwachstums durch den Einsatz von High-Tech-Lagern sind von entscheidender Bedeutung“, sagte er. Ab Drehzahlen über 20.000 U/min bedeutet das Keramik- oder Luftlager. Ebenso wichtig ist eine längere Lebensdauer der Spindel. Eine Spindel kann die teuerste Komponente einer Werkzeugmaschine sein und ihre Behandlung wie ein Verbrauchsmaterial wirkt sich negativ auf das Endergebnis aus.

Aber nicht jede neue Spindeltechnologie bietet hohe Drehzahlen, geringe Unrundheit und geringe Vibrationen bei kleineren Lagern und langer Lebensdauer. Es werden weiterhin Spindeln benötigt, die bei niedrigeren Drehzahlen ein hohes Drehmoment und ein hohes Zeitspanvolumen liefern. Dies stellt eine erhebliche Belastung für Lager und Komponenten dar. Im Idealfall würde eine einzelne Spindel sowohl ein hohes Drehmoment/niedrige Drehzahl als auch ein niedriges Drehmoment/hohe Drehzahl liefern. „Was wir gesehen haben, sind bessere Spindeln mit mehr Drehmoment und Drehzahl, die Drehmoment bei niedrigeren Drehzahlen liefern und dennoch höhere Drehzahlen deutlich über 30.000 erreichen können. Ein hohes Drehmoment gepaart mit der höchsten Drehzahl in einer langlebigen Spindel ist das, was die meisten Menschen bevorzugen.“ wollen", sagte Gillcrist. Er gibt auch einen praktischen Tipp: Ein hohes Drehmoment begrenzt die Lebensdauer der Spindel.

Ein weiterer wichtiger Faktor, der kompensiert werden muss, ist die wärmebedingte Ausdehnung. Die Kontrolle des Rundlauffehlers ist wichtig, aber auch das Wachstum der Spindel in axialer Richtung. „Eines der wichtigsten Dinge, die wir bei den von uns verkauften Maschinen sehen, ist die Fähigkeit, jedes Spindelwachstum zu kontrollieren oder sich daran anzupassen“, erklärte Gillcrist. „Wenn ich versuche, eine wirklich enge Z-Tiefe auf einer Form einzuhalten, darf meine Spindel nicht schwanken.“ Seine Antwort besteht darin, Daten zu sammeln und über die Maschinensteuerung Kompensationen vorzunehmen.

Die beiden gebräuchlichsten Methoden zur Anpassung an das Spindelwachstum sind laut Gillcrist die algorithmische Methode, die das Spindelwachstum mathematisch aus Temperatur und Zeit anhand im Labor erfasster Kurven ableitet, und die direkte Lückenerkennungsmethode.

Die direkte Methode wird aufgrund verbesserter Sensoren immer praktischer. „Bei einigen Maschinen verfügen wir über eine Echtzeit-Lückenerkennung, die die [Position] in Echtzeit anpassen kann, wenn es ein Wachstum oder eine Veränderung gibt, wenn das Werkzeug abgenutzt ist oder wenn das Werkzeug überhaupt nicht im Eingriff ist. Der Algorithmusstil scheint so zu sein nicht so günstig sein [heute]. Aber wir haben auch einen Hersteller, der beides in einer Fünf-Achsen-Umgebung verwendet, sodass sie alles erfassen können, was thermische/zeitliche Vorhersagen und tatsächliche Lücke betrifft“, sagte Gillcrist.

Es gibt mehrere Gründe, warum Daten so wichtig werden, von geschlossenen Bearbeitungsprozessen bis hin zur Einspeisung von Daten in einen Smart-Factory-Datenpool. Damit es jedoch nützlich ist, müssen Daten übertragen werden. „Konnektivität ist wichtig für die Weiterentwicklung der Spindeltechnologie“, sagte Max Paulet, Business Development Manager Nordamerika bei PCI-SCEMM, das seinen Sitz in Saint-Etienne, Frankreich und Mason, Ohio hat und mit Absolute Machine Tools, Lorain, Ohio, zusammenarbeitet . „Ich denke, jeder versucht, die Maschine intelligenter und autonomer zu machen, indem er Daten sehr nah am Schneidwerkzeug und dem Teil, das es schneidet, sammelt.“

PCI-SCEMM bietet jetzt seine Elektrospindel oder e-SPINDLE an, um Maschinenbauern diese Optionen zu bieten. Es ist in Nordamerika bei Absolute Machine Tools erhältlich. Laut Paulet integriert das e-SPINDLE-System Sensoren an den Schneidwerkzeugen oder Werkzeughaltern – nicht weiter oben an der Spindel. „Die Sensoren befinden sich somit in der Nähe des Schnittbereichs oder des vorgesehenen Messbereichs und gewährleisten eine qualitativ hochwertige Datenerfassung und -verarbeitung“, sagte er. Es besteht Flexibilität: Wenn Standardwerkzeuge verwendet werden, fungiert die Spindel als standardmäßige, nicht verbundene Spindel. Nahezu jede Art von Sensor, wie Beschleunigungsmesser, Kraftmesser, Thermoelement, oder Geräte zur Bewegungserzeugung, wie piezoelektrische Aktoren, elektrische Antriebe oder thermische Antriebe, können verwendet werden.

Welche Art von Sensoren sind für Endbenutzer am nützlichsten? Laut Paulet Vibration, Drehmoment und – beim Bohren oder Fräsen von Löchern – Sensoren, die den Durchmesser des Lochs messen. „Wir haben mit der Vibrationsmessung begonnen, und sie ist sehr leistungsstark; es gibt viele Effekte, die man mit Vibration messen und steuern kann“, sagte er. Durch die Messung des Grundschwingungsmusters bei einem kontrollierten Prozess bedeutet jede Abweichung von diesem Schwingungsziel Probleme. Wenn der Kontakt zwischen dem Teil und dem Werkzeug falsch ist, wenn das Werkzeug gebrochen oder unausgeglichen ist oder klappert, weist das Vibrationsmuster die Steuerung darauf hin, Anpassungen vorzunehmen oder im schlimmsten Fall den Prozess abzubrechen und einen Bediener zu alarmieren.

„Der zweithäufigste Sensor ist der Drehmomentsensor“, sagte Paulet. Drehmomentschwankungen liefern wiederum nützliche Informationen über fehlerhafte Prozesse. Abrupte Änderungen im Muster können Rattern oder ein gebrochenes Werkzeug sowie erwartete Materialveränderungen erkennen. „Durch die Kombination von Drehmoment und Vibration erhält man ein umfassenderes Echtzeitverständnis des Prozesses“, sagte er. Er wies darauf hin, dass dies beim Bohren von Löchern zum Verbinden unterschiedlicher Materialien wie Aluminium und kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffe (CFK), wie sie in der Luft- und Raumfahrt üblich sind, nützlich sei. Die Steuerung ist intelligent genug, um den Bohrer beim Schneiden von Aluminium über CFK bis hin zu Aluminium in einem gestapelten Material anzupassen.

Der dritthäufigste Sensor, so Paulet, ist die Messung von Durchmessern im Prozess. Das Unternehmen verwendet ein Lasermessgerät, das kontinuierlich misst, wann sich Schneidwerkzeuge in einer Zylinderbohrung befinden, und Daten über den tatsächlichen Durchmesser zu diesem Zeitpunkt an die Steuerung sendet. „Durch die Messung eines Durchmessers im Prozess können Sie diesen Prozess anpassen und wissen, wie viel Material entfernt oder die Spindel kompensiert werden muss“, erklärt Paulet. „Dadurch ist ein präzises Bohren und Fräsen im Mikrometerbereich möglich.“

Wade Anderson, Vertriebsleiter für Produktspezialisten bei Okuma Americas Corp., Charlotte, NC, bemerkte ebenfalls die Nachfrage nach noch besserer Maschinenleistung, Zuverlässigkeit und Maschinenverfügbarkeit. Okuma baut nicht nur Werkzeugmaschinen, sondern fertigt auch die darin verbauten Spindeln. „Mit dem Trend zur [verbesserten] Leistung sehe ich steigende Drehzahlen und PS, was auch ein höheres Drehmoment bedeutet“, sagte Anderson. „Es ist noch gar nicht so lange her, da habe ich Maschinen mit 10-PS-Spindelmotoren (7,46 kW) verwendet. Jetzt haben wir Maschinen mit 30, 40, 60 und sogar 75-PS-Spindelmotoren.“ Das entspricht einem Leistungsbereich von 22 bis 56 kW. Dabei geht es nicht nur darum, dass die Spindeln besser werden. Diese Verbesserungen gehen einher mit Verbesserungen bei Maschinen und Werkzeugtechnologie. Zusammengenommen ermöglicht dies den Herstellern, immer schwierigere Materialien präzise zu schneiden.

Mehr Leistung von der Spindel ist gut. Die Hitze, die es erzeugt, ist schlecht. „Einer der größten Wärmeerzeuger jeder Maschine ist der Spindelmotor. Das ist normalerweise einer der größten Motoren der Werkzeugmaschine“, erklärte Anderson.

Wie kontrolliert Okuma diese Hitze? „Wir widmen der thermischen Dynamik der Maschine und Live-Echtzeitmessungen viel Zeit und Aufmerksamkeit“, sagte er. „Wir messen die Spindeltemperaturen und können durch thermisches Mapping die Maschinenkinematik nach Bedarf ausgleichen. Wir nennen dieses System TAS (thermoaktiver Stabilisator) und in Verbindung mit unseren proprietären Spindelkühlungstechnologien erhalten wir die Werkzeuge, die wir für die Erstellung eines solchen Systems benötigen.“ einer der thermisch stabilsten verfügbaren Maschinenplattformen.“

Wie sieht es mit Zuverlässigkeit und Maschinenverfügbarkeit aus? Anderson warnte davor, dass es zwar gut sei, die Zykluszeit für einen Nennvorgang zu berechnen, man sich aber auf die Effizienz des gesamten Prozesses konzentrieren sollte, insbesondere auf die Identifizierung und Beseitigung unerwarteter Ausfallzeiten. „Wenn ich ein Teil extrem schnell fertigen kann, kann es sein, dass ich die Maschine kaputt mache und die Spindel vorzeitig auseinanderreißt“, sagte er. Denken Sie daran, dass Anwendungen mit hohem Drehmoment zu Situationen führen können, die sich auf die Lebensdauer der Spindel auswirken können. „Wenn die Maschine plötzlich ausfällt, weil sie oder die Spindel beschädigt ist, kostet mich das viel mehr als eine langsamere Taktzeit.“

Allerdings kostet ein zu langsamer Zyklus auch Geld. Wie lässt sich die Zykluszeit am besten optimieren? Es erfordert Daten, Wissen und Urteilsvermögen. Okuma bietet die Möglichkeit, einen Metallschneidprozess mit von Sensoren abgeleiteten Daten in Kombination mit Wissen und Urteilsvermögen künstlicher Intelligenz (KI) zu optimieren. Laut Anderson ist es eine gute Idee, einen Prozess für eine neue Maschine anhand grundlegender Messwerte wie Vibration, Leistung und Drehmoment festzulegen (einen Fingerabdruck zu erstellen). Anhand des Fingerabdrucks kann der Controller erkennen, wenn der Prozess von der Grundlinie abweicht.

Dadurch können Maschinisten einen schnellen Zyklus durchführen und haben dabei mehr Sicherheit, dass die Maschine einen Alarm sendet, wenn sie eine Redline erreicht, und automatisch eingreift, um katastrophale Ausfallzeiten zu verhindern. Prozesse werden optimiert und Kosten eingedämmt. „Die Vorhersage von Ausfällen, bevor sie eintreten, legt die Messlatte für Ihren Fertigungsprozess höher“, sagte er.

Es mag kontraintuitiv erscheinen, aber die Fähigkeit, ein Werkzeug zu drehen, kann bei Dreharbeiten wichtig sein. Drehmaschinen drehen per Definition das Werkstück und verwenden ein statisches Werkzeug, um zylindrische Merkmale in das Werkstück zu schneiden. Um jedoch mit einer einfachen Drehmaschine Löcher zu bohren oder Abflachungen zu schneiden, muss ein Maschinist das Werkstück von der Drehmaschine nehmen und es auf einer CNC-Fräse neu positionieren.

„Live Tooling nutzt den Revolverantrieb der Maschine“, sagte Preben Hansen, Präsident von Platinum Tooling, Prospect Heights, Illinois. Bei Maschinen mit angetriebenen Werkzeugen wird das Werkstück angehalten, ein sich drehendes Schneidwerkzeug in Eingriff gebracht und Löcher gebohrt oder Flächen gefräst. „Sie werden vom Revolver der Maschine angetrieben, den man Spindel nennen kann. Stellen Sie sich vor, was wir als Getriebe anbieten, einen Satz Zahnräder, der den Motor im Revolver der Drehmaschine nutzt, um das angetriebene Werkzeug zu drehen.“ Diese angetriebenen Werkzeuge können das Übersetzungsverhältnis nach oben oder unten anpassen, je nachdem, ob die Anwendung Geschwindigkeit oder Drehmoment benötigt. Platinum Tooling bietet angetriebene Werkzeuge von Heimatec.

Was verlangen Kunden? „Geschwindigkeit ist das wichtigste Merkmal. Sie wollen ihre Werkzeuge schneller drehen“, sagte Hansen. Geschwindigkeit bedeutet Geld, das macht also Sinn, ist aber nicht alles, was sie wollen. „Genauso wichtig wird die Ausstattung von Live-Werkzeugen mit Sensoren, damit diese Daten zur Überwachung nutzen können. Das ist derzeit ein riesiges Problem.“ Es besteht Bedarf an Spindeln für angetriebene Werkzeuge, die Betriebszeit, Drehzahlen, Luftfeuchtigkeit und Temperaturen überwachen. „Hitze ist schädlich für die Lager. Daher bedeutet die Überwachung und Kontrolle der Temperatur, dass die Lager und Spindeln länger halten“, sagte Hansen. „Feuchtigkeit ist auch schlecht für das Gerät. Ein Feuchtigkeitssensor kann einen Alarm auslösen, sodass es sofort abschaltet und es nicht zu katastrophalen Ausfällen kommt.“

Was ist das ultimative Ziel dieser sensorbasierten Systeme? „Schnellerer Betrieb, Echtzeitüberwachung der Schneidvorgänge und letztendlich der Notbetriebe“, sagte er.

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