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Im Fokus - Archiv Oktober 2007
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Wuchtqualität – Rund läuft’s besser
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01.10.2007 -
Moderne Bearbeitungsverfahren stellen höchste Anforderungen an die Wuchtgüte und die Rundlaufgenauigkeit von Werkzeughaltern. Als Weltmarktführer in der Spanntechnik übernimmt SCHUNK auch hier eine Vorreiterrolle. Alle SCHUNK-Werkzeughalter sind serienmäßig feingewuchtet auf eine erstklassige Wuchtgüte G 2.5 bei 25000 1/min - ein weiterer Beitrag von SCHUNK für exzellente Ergebnisse in der Zerspanung.
Die außerordentlich hohe Wuchtgüte sorgt für maximale Laufruhe selbst bei hohen Drehzahlen und gewährleistet auf diese Weise beste Bearbeitungsergebnisse. Zudem werden Schwingungen reduziert, die Maschinenspindel wird geschont und der Standweg der Werkzeuge erhöht sich.
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Unwucht sind umlaufende Kräfte, die bei sich drehenden Körpern entstehen, wenn deren Massen unsymmetrisch um einen Mittelpunkt herum verteilt sind.
Im Kraftfahrzeugbereich machen sich Unwuchten bei Laufrädern bemerkbar. Sie können durch die Zusatzmassen von z. B. Ventilen oder Felgenstoß sowie durch Höhen- oder Seitenschlag verursacht werden.
Nicht nur bei Rädern (Fahrrad, Auto) spielt die Unwucht eine wichtige Rolle. Auch im Maschinen-, Drehfutter- und Werkzeughalterbau ist dies ein wichtiges und nicht zu verachtendes Kriterium.
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Was ist Unwucht?
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Rotiert ein Massekörper um eine Drehachse, entstehen stets nach außen wirkende Fliehkräfte. Ist die Masse im Rotationskörper gleichmäßig verteilt, heben sich die Fliehkräfte gegenseitig auf und der Körper bleibt während der Rotation an Ort und Stelle (z. B. ein Kreisel). Ist die Masse dagegen ungleichmäßig verteilt, wirken zusätzliche Kräfte und Momente (umgangssprachlich als „Unwucht“ bezeichnet) auf den Körper, die eine Relativbewegung des Rotationskörpers zur Drehachse bewirken. Ist der Körper dagegen fixiert, kommt es zu einer Belastung der Lagerungen.
Im Allgemeinen unterscheidet man zwei Formen der Unwucht, die auch in Kombination auftreten können.
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Statische Unwucht
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Statische Unwucht
Stellt man sich den Massekörper als schmale Scheibchen mit der Masse M geschnitten vor, so befinden sich die Schwerpunkte alle im gleichen Abstand r und in der gleichen Richtung zur Drehachse. Das hat zur Folge, dass der Schwerpunkt des Rotationskörpers nicht auf der Drehachse liegt, sondern die zentrale Hauptträgheitsachse parallel im Abstand e zur Drehachse liegt. Somit wirken bei Rotation Fliehkräfte senkrecht zur Drehachse, die nicht mehr ausgeglichen werden, und es entsteht die Unwucht, die als Produkt aus der Punktmasse M und deren Abstand r von der Drehachse definiert ist. Doch auch bereits im Stillstand lässt sich diese Unwucht messen, z. B. mit einer Auswuchtwaage für Schleifscheiben.
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Dynamische Unwucht
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Dynamische Unwucht
Hier liegt der Schwerpunkt des Rotationskörpers zwar auf der Drehachse, die Hauptträgheitsachse ist aber nicht parallel, sondern in einem bestimmten Winkel dazu. Der Grund dafür ist, dass der Schwerpunkt der einzelnen Scheibchen nicht auf der Drehachse liegt. Diese Scheibchen haben daher, jedes für sich betrachtet, Unwucht erzeugende Fliehkräfte. Die Unwuchtkräfte addieren sich zwar zu Null, d. h. es entstehen keine Kräfte in seitlicher Richtung, da sie aber auf parallelen Wirkungslinien liegen, führen sie zu einer Momentenbelastung des Rotationskörpers. Bei der Rotation entsteht deshalb ein so genanntes Biegemoment. Es kommt infolgedessen zu einer ungleichmäßigen, taumelnden Drehbewegung. Die dynamische Unwucht ist nur bei einem sich drehenden Rotationskörper messbar.
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Allgemeine dynamische Unwucht als Kombination aus statischer und dynamischer Unwucht
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Allgemeine dynamische Unwucht als Kombination aus statischer und dynamischer Unwucht
Hier liegen die Drehachse und die Massenträgheitsachse windschief zueinander. Dies ist bei technischen Rotationskörpern meist der Fall.
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Der Trend ist unübersehbar: Durch die steigende Anzahl der Hochgeschwindigkeitsspindeln und Hochleistungs-Bearbeitungszentren wird das Feinwuchten, vor allem von Werkzeughaltern, immer wichtiger – denn ungewuchtete Werkzeughalter beschädigen die Maschinenspindel. Das Auswuchten von Werkzeughaltern mit den Schneidwerkzeugen ermöglicht hier ein Höchstmaß an Präzision und Lebensdauer von Maschine und Schneidwerkzeug.
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Was bedeutet Unwucht?
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Wuchtgüte G
In DIN ISO 1940-1 sind die Grundlagen der Unwuchtmessung und des Auswuchtens festgelegt. Die Genauigkeit einer Auswuchtung wird mit der Wuchtgüte G angegeben. Die Wuchtgüte gilt immer nur für eine bestimmte Betriebsdrehzahl des Rotors. Aus Wuchtgüte, Betriebsdrehzahl und Gewicht des Rotors wird die zulässige Restunwucht berechnet.
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Formel "Zulässige Restunwucht"
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Beispiel: Ein Fräser wird in einer Spannzangenaufnahme gespannt. Gesamtgewicht: 0,8 kg. Das Werkzeug soll bei einer Drehzahl von 15000 1/min eingesetzt werden. Der Spindelhersteller verlangt eine Wuchtgüte von G 2,5.
Zulässige Restunwucht: Uzul = 1,3 gmm
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Auswirkungen
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Im Bereich der zerspanenden Bearbeitung ist besonders die Unwucht des Gesamtsystems Werkzeughalter-Werkzeug von Interesse. Untersuchungen namhafter Forschungsinstitute, wie des Instituts für Produktionsmanagement, Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW) in Darmstadt, haben gezeigt, dass sich Werkzeughalter mit einer großen Unwucht bei der Zerspanung in mehrfacher Hinsicht negativ auswirken:
1. Schlechtere Oberflächenqualität bei den bearbeiteten Werkstücken durch Vibrationen am Werkzeughalter, messbar als Mittenrauhtiefe Ra
2. Schwingungen am Werkzeughalter
3. Einschränkung der erzielbaren Schnittgeschwindigkeiten
4. Abnehmende Fertigungsgenauigkeit
5. Verkürzung der Standzeit der Werkzeuge durch ungleichmäßige Schneidenabnutzung
6. Lagerschäden an der Maschinenspindel durch ungleichmäßig und permanent einwirkende Kräfte auf die Spindel
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Unwuchtbekämpfung
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Um diese negativen Auswirkungen zu vermeiden, stehen dem Anwender grundsätzlich zwei unterschiedliche Strategien zur Auswahl:
1. Verwendung nur sehr geringer Drehzahlen von z. B. n < 100 1/min.
Solche Drehzahlen sind natürlich für eine wirtschaftliche Arbeitsweise völlig indiskutabel. Echte Abhilfe verschafft nur die Alternative 2.
2. Auswuchten des Werkzeughalters,
besser noch des Werkzeughalters mit eingespanntem Werkzeug, entsprechend der technisch machbaren und wirtschaftlich sinnvollen Wuchtgüte.
Auswuchten bedeutet nun, die unsymmetrische Masseverteilung des Werkzeughalters wieder auszugleichen. Das kann auf dreierlei Weise geschehen:
1. Anbringen von Masse, z. B. durch Wuchtschrauben
2. Entfernen von Masse, z. B. durch Abbohren
3. Verstellen von Masse, z. B. durch Drehringe
Man unterscheidet dabei zwischen:
a) Auswuchten in einer Ebene
Ausgleich des statischen Anteils der Unwucht, indem der Schwerpunkt des Rotationskörpers wieder auf die Drehachse zurückverlagert wird (Exzentrizität e -> 0). Die dynamische Unwucht bleibt dabei allerdings bestehen.
b) Auswuchten in 2 Ebenen
Hier erfolgt ein Ausgleich sowohl der statischen als auch der dynamischen Unwucht. Die Auswuchtebenen können hierbei beliebig gewählt werden, sollten jedoch einen möglichst großen Abstand zueinander haben.
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Ziel des Auswuchtens
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In der kleinen Fachkunde ist veranschaulicht, wie durch Unwuchten Lagerkräfte, Lagerschwingungen und Wellenverformungen verursacht werden. Hohe Lagerkräfte und Lagerschwingungen führen zu einem vorzeitigen Verschleiß von Lager oder sogar zu akuten Lagerschäden. Wellenverformungen können zur Spielüberbrückung und so zum Anstreifen des Rotors an feststehenden Teilen führen.
Ziel des Auswuchtens ist es, Lagerkräfte, Lagerschwingungen und Wellenverformungen auf akzeptable Werte zu begrenzen. Diese Forderung gilt für den Rotor in der zusammengebauten Maschine.
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Lösungen von SCHUNK
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Messung der Unwucht mit der Auswuchtmessmaschine ACURO
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Um die oben beschriebenen schädlichen Einflüsse der Unwucht möglichst weitgehend zu vermeiden, liefert SCHUNK seine Werkzeughalter serienmäßig feingewuchtet auf G2,5 bei 25000 1/min aus. Maßgebend hierfür sind die Wuchtempfehlungen des Arbeitskreises Wuchten der Deutschen Arbeitsgemeinschaft industrielle Forschung, der auch SCHUNK angehört.
Messung der Unwucht
Bevor die Unwucht ausgeglichen werden kann, muss diese zunächst mit Messverfahren analytisch ermittelt werden. Hierzu eignet sich beispielsweise die Auswuchtmessmaschine ACURO. Folgendes Messprinzip liegt der Unwuchtmessung zugrunde:
1. Die Werkzeugaufnahme wird in die Wuchtspindel eingespannt und in Rotation versetzt. Wichtig dabei ist, dass der Werkzeughalter in der Spindel gespannt wird, denn nur so lässt sich der gleiche Zustand wie auf einer Fräsmaschine erreichen und wiederholbare Ergebnisse produzieren.
2. Messung der auftretenden Fliehkräfte mittels Kraftsensoren. Als Ergebnis erhält man ein sinusförmiges Messsignal, da sich die Wirkrichtung der Fliehkräfte mit der Spindel mitdreht.
3. Berechnung der Unwucht anhand des gemessenen Signals je Wuchtebene.
4. Berechnung des notwendigen Unwuchtausgleichs aus ermittelter Unwucht.
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Messung der Unwucht
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Bei der Messung stehen drei verschiedene Messverfahren zur Auswahl:
1. Einfache Messung
In nur einem Messdurchlauf wird die Gesamtunwucht von Spindel, Adapter und Werkzeughalter gemessen. Das geht zwar sehr schnell, die Genauigkeit leidet allerdings darunter. Diese Methode ist daher nur für die Messung der Grobunwucht (U > 20 gmm) geeignet.
2. Messung mit Spindelkompensation
In einem Vorlauf wird zunächst die Unwucht der Spindel und des Adapters gemessen. Anschließend wird in einfachen Messungen die Gesamtunwucht ermittelt und die zuvor gemessene Unwucht von Spindel und Adapter kompensiert.
Diese Messmethode erlaubt eine höhere Genauigkeit, kann jedoch nicht alle Störeinflüsse, wie z. B. Schrägstellung des Werkzeuges berücksichtigen.
3. Umschlagsmessung
Hier werden grundsätzlich zwei Messdurchläufe durchgeführt. Zwischen dem ersten und zweiten Messdurchlauf wird der Werkzeughalter um 180° gedreht. Als Ergebnis wird nur die resultierende Unwucht nach Vergleich beider Messdurchläufe angezeigt. Diese Methode ist am genauesten, aber auch am zeitintensivsten. Hohe Wuchtgüten lassen sich nur durch Umschlagsmessung erzielen.
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Wuchtbohrung
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Nach der Messung der Unwucht erfolgt durch die ACURO Auswuchtmaschine die genaue Anzeige der Position der Unwucht sowie Vorschläge zu deren Beseitigung. Die Software schlägt z.B. vor, mit einem 3 mm Bohrer an einer bestimmten Stelle 5 mm tief zu bohren.
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Grenzen des Wuchtens
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Bei jeglicher Form des Wuchtens von Werkzeughaltern gilt es, eine Abwägung zwischen dem technisch Machbaren und dem wirtschaftlich Sinnvollen zu treffen. Denn, je besser die Wuchtqualität des Werkzeughalters sein soll, desto größer wird der dafür notwendige Aufwand. Außerdem ist eine sinnvolle Wuchtgüte bereits dann überschritten, sobald der Rundlauffehler der Maschinenspindel (selbst neue Spindeln haben einen Rundlauffehler von bis zu 5 µm) oder die Wiederholgenauigkeit beim Werkzeughalterwechsel (diese bewegt sich bei guten Spindeln im Bereich von 1 µm bis 2 µm und wird wesentlich durch Verschmutzungen bestimmt) die hervorragende Wuchtqualität des Werkzeughalters wieder zunichte machen.
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Berechnung der Unwucht Beispiel 1:
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zulässige Restunwucht
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Ein Werkzeughalter mit einer Masse von 800 g soll bei einer Drehzahl von 15000 1/min eingesetzt werden. Der Maschinenspindelhersteller verlangt eine Wuchtgüte von G 2,5 nach DIN ISO 1940-1. Die zulässige Restunwucht des Werkzeughalters darf den Wert 1,27 gmm nicht überschreiten.
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Restexzentrizität
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Die Restexzentrizität des Werkzeughalters ergibt sich damit zu 1,6 µm.
Das bedeutet, der Schwerpunkt des Werkzeughalters darf maximal um 1,6 µm von der Drehachse versetzt sein.
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Berechnung der Unwucht Beispiel 2:
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Wuchtgüte G = 1
Betriebsdrehzahl n = 40.000 1/min
Werkzeuggewicht M = 0,8 kg
Uzul = 0,2 gmm
ezul = 0,3 µm
Diese zulässige Exzentrizität ist in der Praxis nicht erzielbar. Alleine die Wiederholgenauigkeit beim Werkzeugwechsel liegt bei guten Spindeln bei 1-2 µm. Geringste Verschmutzungen verschlechtern des Ergebnis wesentlich.
Die Gesamtunwucht einer Frässpindel setzt sich aus vielen Komponenten zusammen:
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Unwucht der Spindel als Einzelteil |
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Unwucht durch Rundlauffehler der Spindel |
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Rundlauffehler von Anbauteilen der Spindel |
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Seitlicher Verzug des Spannsystems bei Spannung (Federpaket, Zugstange) |
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Rundlauffehler und Schrägstellung der Werkzeugaufnahme in der Spindel |
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Unwucht der Werkzeugaufnahme als Einzelteil |
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Rundlauffehler des Anzugbolzens (Versatz) |
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Rundlauffehler des Werkzeuges |
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Unwucht von Anbauteilen der Werkzeugaufnahme (z. B. Spannmutter) |
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Fazit: Eine zulässige Restunwucht von weniger als 1 gmm ist in der Praxis sinnlos!
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Wie bei Produkten im privaten Leben, sind auch bei Werkzeughaltern Qualitätsmerkmale zunächst rein äußerlich kaum zu erkennen. Im dauerhaften Einsatz auf der Maschine trennt sich jedoch die Spreu vom Weizen. Jahrzehntelanges Entwicklungs- und Fertigungs-Know-how, Pioniergeist sowie die stetige Weiterentwicklung bereits ausgereifter Produkte sorgen dafür, dass SCHUNK die führende Rolle im Markt der Werkzeugspannung einnimmt. Die Präzisionswerkzeughalter von SCHUNK werden nach strengsten Qualitätsrichtlinien am Standort Lauffen - Made in Germany - gefertigt.
Große Auswahl an Präzisionswerkzeughaltersystemen
Innerhalb des TOTAL TOOLING Programms von SCHUNK stehen mehrere Präzisionswerkzeughaltersysteme zur Verfügung, die allesamt über ein entscheidendes Merkmal verfügen:
Serienmäßig feingewuchtet auf G 2,5 bei 25000 1/min.
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