Grundlagen zum Auswuchten von Werkzeugen

Oct 12, 2023

Unwuchtige Werkzeuge sind ein Problem. Sie erzeugen Vibrationen, die zu Werkzeugbrüchen, einer kürzeren Spindellebensdauer und einer höheren Werkstückrauheit führen können.

Die Implementierung von Auswuchtprotokollen für einen Bearbeitungsprozess trägt zum Schutz einer Werkzeugmaschine bei. Ausgewuchtete Werkzeuge reduzieren Vibrationen und werden unabhängig davon benötigt, ob mit 44.000 oder 3.000 U/min geschnitten wird.

Wie viele Dinge verdient auch das Auswuchten von Werkzeugen eine Kosten-Nutzen-Analyse. Auch wenn sich neue Technologien auf die Art und Weise auswirken können, wie die Auswuchtung durchgeführt und begründet wird, bleibt der Analysebedarf unverändert.

Ursache des Ungleichgewichts

Eine Werkzeugunwucht entsteht, wenn der Schwerpunkt einer rotierenden Masse nicht mit ihrer Rotationsachse ausgerichtet ist.

„Die Unwucht ist also ein Abstand, der eine Exzentrizität erzeugt“, sagte Manager Francesco D'Alessandro von Balance Systems Corp. in Wixom, Michigan. „Diese Exzentrizität erzeugt Vibration.“

Die Auswuchtmaschine Tool Dynamic TD Comfort (oben) ist mit einem PC, Tastatur, Maus und Monitor ausgestattet. Bild mit freundlicher Genehmigung von Haimer USA

Die Exzentrizität ist definiert als der Abstand vom Rotationszentrum eines Werkzeugs zu seinem wahren Massenschwerpunkt und misst das Ausmaß, in dem das Werkzeuggewicht außermittig ist. Wenn die Exzentrizität in Mikrometern und die Werkzeugmasse in Kilogramm gemessen wird, ergeben diese Einheiten die Unwucht in Grammmillimetern, einer gängigen Einheit.

Präsident Thomas Hoenig von GTI Spindle Technology Inc. in Manchester, New Hampshire, stimmt zu, dass das Auswuchten von Werkzeugen äußerst wichtig ist. Durch Unwucht werden Spindellager und andere Spindelkomponenten beschädigt. Unwucht verursacht auch Rattern an bearbeiteten und geschliffenen Teilen. Und unausgeglichene Werkzeuge führen durch Kegelschäden an der Werkzeugschnittstelle zu vorzeitigem Werkzeugverschleiß.

„Das Ausbalancieren der Werkzeuge sollte fast immer erfolgen“, sagte er. „Dies gilt nur dann nicht für Bearbeitungsvorgänge mit sehr langsamer Drehzahl, etwa beim Gewindeschneiden von Löchern oder bei einigen langsamen Drehschnitten. Bei jedem Bearbeitungsvorgang über 3.000 U/min ist die Auswuchtung von entscheidender Bedeutung.“

Präsident Brendt Holden von Haimer USA LLC in Villa Park, Illinois, sagte jedoch, dass einige der größten Vorteile von Auswuchtwerkzeugbaugruppen in vielen Fällen bei niedrigen Drehzahlen zu finden seien, etwa bei Bohrköpfen oder Planfräsdornbaugruppen.

„Unser Rat ist, immer nach Anwendungen zu suchen, die Herausforderungen mit sich bringen, deren Lösung niemand finden kann“, sagte er. „Vielleicht haben sie sich die Aufspannung, den Zustand der Maschine oder die Schneidwerkzeuge angeschaut, aber sie erzielen immer noch nicht die gewünschte Leistung. Haben sie sich das Auswuchten angeschaut? Wenn nicht, wäre es jetzt an der Zeit, das Auswuchten zu untersuchen.“

Holden sagte, die Menschen wollen heute die Zykluszeit verkürzen, was möglicherweise eine Verringerung der Anzahl der Werkzeugwechsel bedeutet. Wenn eine Werkstatt früher zur Fertigstellung eines Teils Werkzeuge zum Schruppen, Vorschlichten und Schlichten verwendete, jetzt aber lieber nur ein Werkzeug für die Arbeit verwendet, kann dies zu Problemen mit der Balance führen. Außerdem kann ein Spezialwerkzeug zum Bohren, Senken und Anfasen entwickelt werden. Da sich die Taschen an unterschiedlichen Positionen befinden, muss der Auswuchtung mehr Aufmerksamkeit geschenkt werden, um die Qualitätsvorgaben zu erreichen.

Notwendiger Ausgleich

„Theoretisch ist immer ein Ausgleich notwendig“, sagte D'Alessandro. „Bei sehr niedrigen Spindeldrehzahlen (weniger als 3.000 U/min) und schlechten Zielen für die Werkstückbearbeitung kann es jedoch sein, dass das Auswuchten des Werkzeugs übersprungen wird.“

Allerdings verfügen moderne Werkzeugmaschinen tendenziell über hohe Spindeldrehzahlen, um größere Zerspanvolumina oder hohe Anforderungen an die Schnittgeschwindigkeit zu erreichen – beispielsweise bei der Bearbeitung von Inconel.

„Der Anstieg dieser Werte hat auch die Nachfrage nach besseren Werkzeugen und Haltern erhöht, die dann ein häufigeres Auswuchten des Werkzeugs als zuvor und eine geringere Restunwucht erfordern“, sagte D'Alessandro. „Um dieses Phänomen zu überwachen, kann es hilfreich sein, an der Maschine ein permanentes Spindelüberwachungssystem wie den B-Safe-Sensor zu installieren, der dem Bediener visuelle Hilfen und Warnungen geben kann, wenn die Vibration zu hoch ist.“

Das Best Balance 1000 ist ein tragbares Gerät zur Messung und Korrektur von Vibrationen rotierender Bauteile aufgrund von Unwucht. Bild mit freundlicher Genehmigung von Balance Systems

Quellen zufolge steigern Unternehmen die Produktivität und Werkzeugstandzeit im Durchschnitt um 15 bis 25 %, wenn sie mit dem Auswuchten von Werkzeugbaugruppen beginnen, wobei die Gewinne sogar noch größer sind, wenn sie mit schlechten Auswuchtsituationen beginnen. Obwohl das Auswuchten nicht jedes Problem bei einem Schneidprozess lösen kann, gehen Schätzungen davon aus, dass das Auswuchten mindestens ein Drittel der Bearbeitungsprobleme lösen kann, insbesondere solche, die scheinbar nie verschwinden.

D'Alessandro sagte, dass die häufigsten Probleme, mit denen Endbenutzer konfrontiert werden, bevor sie sich an Balance Systems wenden, Werkzeugbruch und Werkstückrattern sind. Analysen zeigen oft, dass diese Schwierigkeiten auf Vibrationen zurückzuführen sind, die hauptsächlich durch Unwucht des Werkzeugs verursacht werden.

„Das Ungleichgewicht ist heimtückisch, weil man es nicht sehen und erst spüren kann, wenn es zu spät ist“, sagte er. „Aus diesem Grund nenne ich es gerne den lautlosen Killer der Werkzeugmaschinen.“

Holden sagte, seine häufigsten Fragen von Kunden drehten sich nicht um das Ausbalancieren – zumindest zunächst.

„Während unserer Diskussionen stellt sich jedoch heraus, dass das Thema Auswuchtung ein klarer Bedarf ist, da es mit der Lösung ihrer Probleme zusammenhängt“, sagte er. „Zum Beispiel ruft unser Kunde wegen Problemen mit der Oberflächengüte oder der Werkzeuglebensdauer an. Bei der Untersuchung stellen wir dann fest, dass er ein Rundlaufproblem hat. Während dieser Rundlauffehler bei der statischen Prüfung auf einem Werkzeugvoreinstellgerät oder während einer langsamen manuellen Eindrehung möglicherweise nicht sichtbar ist.“ Sobald sich das Werkzeug an der Maschinenspindel dynamisch mit der von der Maschine eingestellten Drehzahl dreht, erhöht sich der Rundlauffehler, wenn die Werkzeughalterbaugruppe unausgeglichen ist. Dann führen wir einen Test durch, um die Baugruppe auszuwuchten, und stellen fest, dass nach dem Auswuchten der Rundlauffehler verschwindet und der Kunde es tut Glücklich."

Laut Holden beschweren sich Kunden auch darüber, dass sie bei der Bearbeitung eines Teils nicht mit den gewünschten Geschwindigkeiten und Vorschüben arbeiten können.

„Bei näherer Betrachtung stellen wir fest, dass einige der im Produktionsprozess verwendeten Werkzeughalterbaugruppen Unwucht aufwiesen“, sagte er. „Dann balancieren sie die Baugruppen aus, und die Kunden können ihre Teile dann mit den entsprechenden Vorschüben und Geschwindigkeiten bearbeiten, wie sie es ursprünglich geplant hatten.“

Hoenig sagte, dass er von Kunden am häufigsten Probleme bei der Spindelinstallation wie Unwucht, Fehlausrichtung und Encoderfehler hört.

„Wenn eine Spindel vom Kunden zur Reparatur eingeschickt wird“, sagte er, „werden sie oft ohne alle rotierenden Komponenten eingeschickt.“

Riemenscheiben, Drehdurchführungen, Naben, Deichseln und andere Gegenstände bleiben aus verschiedenen Gründen zurück. Wenn diese Komponenten dann auf einer neu aufgebauten/ausgewuchteten Spindel montiert werden, kann diese aus dem Gleichgewicht und der Ausrichtung geraten.

„Deshalb ist es sehr wichtig, dass alle Teile zusammenpassen, damit sie im Gleichgewicht sind“, sagte Hoenig.

Leider verfügen die meisten Servicetechniker und Endbenutzer nicht über die Auswuchtausrüstung, um notwendige Korrekturen vor Ort durchzuführen. In diesem Fall muss GTI Spindle Technology in der Regel einen Serviceeinsatz durchführen.

Die BVK3-10 ist eine universelle vertikale Auswuchtmaschine für scheibenförmige Teile. Bild mit freundlicher Genehmigung von Balance Systems

Wie man balanciert

Der Auswuchtvorgang eines Werkzeugs ist ziemlich einfach. Fast jedes Werkzeug auf dem Markt verfügt über einen Auswuchtgrad, der gemäß ISO-Normen mit einem G gefolgt von einer Zahl gekennzeichnet ist. Hierbei handelt es sich um eine von einem Werkzeughersteller angegebene Referenz. Wenn ein Benutzer die Informationen zusammen mit dem Gewicht und der Drehzahl der Werkzeugbaugruppe in die Software einer Auswuchtmaschine eingibt, erhält er oder sie die angestrebte Restunwucht, die beim Auswuchten erreicht werden soll. Die Maschine zeigt dann die mechanischen Korrekturen basierend auf den gewählten Werkzeugabmessungen und dem Auswuchtmodus an: A) durch „Verschieben von Gewichten“, B) durch „Hinzufügen von Schrauben“, C) durch Drehen von „Exzenterringen“ oder D) durch „freies Auswuchten“.

Wenn beim Fräsen die Vibration zu hoch ist, ist das Problem Nr. 1 eines Werkstücks das Rattern.

Hoenig sagte, dass beim Ausbalancieren Vorsichtsmaßnahmen bei bestimmten Metallen getroffen werden sollten. Einige Hartmetallwerkzeuge benötigen spezielle Schleifscheiben, um das Gewicht zum Auswuchten zu entfernen. Bei Hochgeschwindigkeitswerkzeugen wird immer empfohlen, das Gewicht zu entfernen, da zusätzliches Gewicht wegfliegen und Schäden oder Verletzungen verursachen könnte.

Er sagte, der beste Weg, herauszufinden, wie man ein Werkzeug auswuchtet, sei mit einem Schwingungsanalysator/Auswuchtgerät. GTI Spindle Technology produziert eine kabellose Version, die auf dem iPad von Apple läuft.

Holden sagte, eine Werkstatt benötige eine hauseigene Auswuchtmaschine, um den Zustand der Werkzeugbaugruppen zu überprüfen.

„Selbst wenn Sie spezielle Formwerkzeuge so bestellen, dass sie ausgewuchtet bei Ihnen ankommen, woher wissen Sie dann, ob sie wirklich ausgewuchtet bei Ihnen ankommen?“ er sagte. „Wir haben einige größere Kunden, die die Auswuchtmaschine einfach als Gut/Schlecht-Messgerät verwenden, um jedes Mal zu bestätigen, dass ihre Baugruppen ausgewuchtet sind.“

Holden sagte, eine Auswuchtmaschine sagt, wie man Gewicht von einer Werkzeugbaugruppe entfernt oder verlagert oder Gewicht zu ihr hinzufügt, um sie auszubalancieren. Um die Auswuchtung zu bestimmen, ist es wichtig, sich den Aufbau einer Werkzeugbaugruppe anzusehen. Lässt sich Material an allen Stellen des Halters entfernen, ohne diesen zu beschädigen? Würde beispielsweise Material von Kühlmittelanschlüssen oder Hydraulikkammern entfernt? Oder kommt es zu Beeinträchtigungen des Werkstücks, wenn das Gewicht über Ausgleichsringe verlagert wird?

„All diese Dinge müssen berücksichtigt werden“, sagte er. „Aber in fast allen Fällen gibt es eine gute Möglichkeit, ein Werkzeug mithilfe einer dieser Methoden (Gewicht entfernen, hinzufügen oder verschieben) ins Gleichgewicht zu bringen.“

Die beliebteste Auswuchtmaschine von Haimer USA ist die Tool Dynamic TD Comfort, die Holden aufgrund ihrer Benutzerfreundlichkeit und Genauigkeit empfiehlt.

„Wir verwenden eine Spindel, die die Werkzeugbaugruppe festklemmt, als ob sie in der Werkzeugmaschinenspindel gehalten würde, und die Maschine selbst verfügt über eine hart gelagerte Spindel, die mithilfe von Zentrifugalkraftsensoren die Unwucht der Werkzeugbaugruppe misst“, sagte er. „Die Benutzerfreundlichkeit ergibt sich aus der Software, die den Benutzer durch einen einfachen Änderungsprozess führt.“

Die Angebote von Balance Systems richten sich an Maschinenwerkstätten, die Wartung von Werkzeugmaschinen vor Ort sowie die Herstellung von Werkzeugen und Haltern.

„Für Endbenutzer von Werkzeugmaschinen“, sagte D'Alessandro, „ist derzeit unsere BVK3-10 die beliebteste Maschine für diese Anwendung.“

Er erklärte, dass ein Bediener ein Werkzeug in die BVK3-10 einlegt, das zugehörige Teileprogramm lädt und die Schutzvorrichtung schließt. Die Maschine beginnt mit der Messung der anfänglichen Unwucht und teilt dem Bediener dann die Korrektur mit, die auf das Teil anzuwenden ist.

Für die Wartung vor Ort empfiehlt D'Aless-andro tragbare Auswuchtgeräte wie das Best Balance 1000. Der Hauptvorteil dieses Modells besteht darin, dass ein Benutzer ein Werkzeug nicht von einer Spindel entfernen und auf die Auswuchtmaschine setzen muss. Der Auswuchtvorgang kann direkt auf einer Werkzeugmaschine durchgeführt werden. Die gleiche Ausrüstung kann auch zum Auswuchten anderer Spindeltypen verwendet werden, einschließlich solcher auf Schleifmaschinen.

„Für Hersteller von Werkzeugen und Werkzeughaltern haben wir außerdem eine spezielle automatische Auswuchtmaschine entwickelt: die BVK4“, sagte er. „Wir verfügen über große Erfahrung in der Maschinenautomatisierung und können diese Teile automatisch auswuchten. Dieses Modell verfügt über ein proprietäres Berührungserkennungssystem, das das Material sehr präzise entfernt – also ausbalanciert. BVK4 wird in Produktionskontexten mittlerer bis hoher Stückzahlen eingesetzt.“

BalancePro for Field Balancing von GTI Spindle Technology ist eine iPad/iOS-App zum Auswuchten rotierender Maschinen in einer und zwei Ebenen. Durch die Verbindung mit dem Beschleunigungsmesssystem und dem Drehzahlmesser von GTI Spindle Technology nutzt die App Vibrationsamplitude und Phasensignal, um automatisch korrigierende Ausgleichsgewichte und deren Winkelpositionen zu berechnen. Balance-Jobs können zur späteren Verwendung gespeichert und geladen werden.

Das Auswuchten von Werkzeugen ist möglicherweise nicht immer notwendig, aber im Allgemeinen eine gute Idee.

„Um es leichter zu verstehen“, sagte Holden: „Würden Sie jemals darüber nachdenken, dass es eine Zeit gibt, in der es in Ordnung ist, Ihr Auto mit unausgeglichenen Rädern zu fahren? Wahrscheinlich nicht.“

Welle zur Drehunterstützung bei Bearbeitungsanwendungen. Beim Schleifen die Spindel zur Montage der Scheibe; Bei Fräs- und anderen Schneidarbeiten dient die Welle zur Montage des Fräsers.

Vergrößerung eines bereits gebohrten oder entkernten Lochs. Im Allgemeinen handelt es sich dabei um einen Vorgang, bei dem das zuvor gebohrte Loch mit einem Einspitz-Drehwerkzeug abgerichtet wird. Beim Bohren handelt es sich im Wesentlichen um Innendrehen, bei dem normalerweise ein Einschneidewerkzeug die Innenform formt. Einige Werkzeuge sind mit zwei Schneiden erhältlich, um die Schnittkräfte auszugleichen.

Vibrationszustand der Maschine, des Werkstücks und des Schneidwerkzeugs. Sobald dieser Zustand auftritt, bleibt er oft von selbst bestehen, bis das Problem behoben ist. Rattern erkennt man daran, dass im Werkstück in regelmäßigen Abständen Linien oder Rillen entstehen. Diese Linien oder Rillen werden durch die Zähne des Fräsers verursacht, wenn diese in das Werkstück hinein und aus diesem heraus vibrieren, und ihr Abstand hängt von der Vibrationsfrequenz ab.

Flüssigkeit, die den Temperaturaufbau an der Schnittstelle zwischen Werkzeug und Werkstück während der Bearbeitung reduziert. Liegt normalerweise in Form einer Flüssigkeit vor, z. B. einer löslichen oder chemischen Mischung (halbsynthetisch, synthetisch), kann aber auch Druckluft oder ein anderes Gas sein. Aufgrund der Fähigkeit von Wasser, große Mengen an Wärme zu absorbieren, wird es häufig als Kühlmittel und Träger für verschiedene Schneidpasten verwendet, wobei das Wasser-zu-Massen-Verhältnis je nach Bearbeitungsaufgabe variiert. Siehe Schneidflüssigkeit; halbsynthetische Schneidflüssigkeit; Schneidflüssigkeit mit löslichem Öl; synthetische Schneidflüssigkeit.

Von einem Piloten geführtes Werkzeug, das ein Loch bis zu einer bestimmten Tiefe erweitert.

Tangentialgeschwindigkeit auf der Oberfläche des Werkzeugs oder Werkstücks an der Schnittschnittstelle. Die Formel für die Schnittgeschwindigkeit (sfm) lautet: Werkzeugdurchmesser 5 0,26 5 Spindeldrehzahl (U/min). Die Formel für den Vorschub pro Zahn (fpt) ist Tischvorschub (ipm)/Nutenzahl/Spindelgeschwindigkeit (U/min). Die Formel für die Spindeldrehzahl (U/min) lautet Schnittgeschwindigkeit (sfm) 5 3,82/Werkzeugdurchmesser. Die Formel für den Tischvorschub (ipm) ist Vorschub pro Zahn (ftp), 5 Anzahl der Werkzeugnuten, 5 Spindeldrehzahl (U/min).

Fräser zum Schneiden von ebenen Flächen.

Bearbeitung mit mehreren auf einer Welle montierten Fräsern, im Allgemeinen zum gleichzeitigen Schneiden.

Bearbeitungsvorgang, bei dem Material vom Werkstück durch eine angetriebene Schleifscheibe, einen Stein, ein Band, eine Paste, ein Blech, eine Verbindung, eine Aufschlämmung usw. entfernt wird. Es gibt verschiedene Formen: Flächenschleifen (erzeugt flache und/oder quadratische Oberflächen); Rundschleifen (für äußere zylindrische und konische Formen, Hohlkehlen, Hinterschnitte usw.); spitzenloses Schleifen; Anfasen; Gewinde- und Formschleifen; Werkzeug- und Fräserschleifen; spontanes Schleifen; Läppen und Polieren (Schleifen mit extrem feiner Körnung, um ultraglatte Oberflächen zu erzeugen); Honen; und Scheibenschleifen.

Drehmaschine zum Sägen, Fräsen, Schleifen, Verzahnen, Bohren, Reiben, Aufbohren, Gewindeschneiden, Plandrehen, Anfasen, Nuten, Rändeln, Drehen, Abstechen, Auskegeln, Kegelschneiden sowie Nocken- und Exzenterschneiden als Stufen- und Geradeausdreher. Es gibt sie in verschiedenen Formen, von manuell über halbautomatisch bis hin zu vollautomatisch, wobei die Haupttypen Motordrehmaschinen, Dreh- und Konturdrehmaschinen, Revolverdrehmaschinen und numerisch gesteuerte Drehmaschinen sind. Die Motordrehmaschine besteht aus Spindelstock und Spindel, Reitstock, Bett, Schlitten (komplett mit Schürze) und Querschlitten. Zu den Merkmalen gehören Gang- (Geschwindigkeits-) und Vorschubwählhebel, Werkzeughalter, Verbundauflage, Leitspindel und Umkehrleitspindel, Gewindeschneidrad und Eilganghebel. Zu den speziellen Drehmaschinentypen gehören Durchgangsdrehmaschinen, Nockenwellen- und Kurbelwellendrehmaschinen, Bremstrommel- und Rotormaschinen sowie Spinn- und Pistolenlaufmaschinen. Für Präzisionsarbeiten werden Werkzeug- und Tischdrehmaschinen eingesetzt; erstere für Werkzeug- und Gesenkarbeiten und ähnliche Aufgaben, letztere für kleine Werkstücke (Instrumente, Uhren), normalerweise ohne Kraftvorschub. Modelle werden typischerweise nach ihrem „Schwung“ oder dem Werkstück mit dem größten Durchmesser, das gedreht werden kann, bezeichnet. Bettlänge oder der Abstand zwischen den Mittelpunkten; und PS erzeugt. Siehe Drehmaschine.

Bearbeitungsvorgang, bei dem Metall oder anderes Material durch Krafteinwirkung auf einen rotierenden Fräser entfernt wird. Beim Vertikalfräsen wird das Schneidwerkzeug vertikal auf der Spindel montiert. Beim Horizontalfräsen wird das Schneidwerkzeug horizontal montiert, entweder direkt auf der Spindel oder auf einem Dorn. Das Horizontalfräsen wird weiter in das konventionelle Fräsen unterteilt, bei dem sich der Fräser entgegen der Vorschubrichtung oder „nach oben“ in das Werkstück hinein dreht; und Gleichlauffräsen, bei dem sich der Fräser in Vorschubrichtung oder „nach unten“ in das Werkstück dreht. Zu den Fräsvorgängen gehören Plan- oder Flächenfräsen, Schaftfräsen, Planfräsen, Winkelfräsen, Formfräsen und Profilfräsen.

Bearbeitungsvorgang, bei dem ein Gewindebohrer mit Zähnen am Umfang Innengewinde in ein vorgebohrtes Loch schneidet, dessen Durchmesser kleiner als der Gewindebohrerdurchmesser ist. Gewinde werden durch eine kombinierte Dreh- und Axial-Relativbewegung zwischen Gewindebohrer und Werkstück geformt. Siehe Hahn.

Sichert ein Schneidwerkzeug während eines Bearbeitungsvorgangs. Zu den Grundtypen gehören Block, Kassette, Spannfutter, Spannzange, fest, modular, Schnellwechsel und rotierend.

Yesenia Duran ist eine in Chicago ansässige freiberufliche Journalistin, die über Schneidwerkzeuge und -technologie berichtet. Sie ist unter [email protected] erreichbar.

Balance Systems Corp.248-308-3636www.balancesystems.com

GTI Spindle Technology Inc.888-473-9675www.gtispindle.com

Haimer USA LLC630-833-1500www.haimer-usa.com