Die Spindel ist – als Herzstück einer Werkzeugmaschine – für Art und Qualität des Materialabtrags verantwortlich. Sie lässt dabei enorme Kräfte präzise wirken. Und das sollte absolut zuverlässig und mit einer sehr hohen Genauigkeit passieren. Ein Verfahren, das einen ruhigen Lauf der Spindel sicherstellt, ist das Betriebsauswuchten, also das Auswuchten eines Rotors in einer Maschine. Immer dort, wo Teile rotieren, kann Unwucht auftreten. Aufgrund solcher Unwuchten entstehen Schwingungen, die irgendwann zu groß sind und dazu führen, dass es zu Problemen kommt oder Vorgaben nicht mehr eingehalten werden können.

Ein Beispiel aus dem Alltag ist das Autofahren: Ab einer bestimmten Geschwindigkeit beginnt das Lenkrad zu vibrieren. Das Problem ist dabei die Unwucht der Räder. Im schlimmsten Fall werden diese Schwingungen so groß, dass Schäden am Fahrzeug auftreten können. Tauchen diese Unwuchten bei spanabhebenden Maschinen auf, stimmt oft die Maßhaltigkeit nicht mehr. Noch extremer fällt der negative Effekt bei Schleifmaschinen auf: Wenn hier die Schwingungen zu groß sind, ist sogar die gesamte Maschinenfunktion nicht mehr erfüllt. Es entstehen sogenannte „Rattermarken“ auf der Oberfläche, die dazu führen, dass das Werkstück nicht mehr genutzt werden kann.

Mehrere Schritte, um die Urunwucht zu bestimmen

Betriebsauswuchten will gut vorbereitet sein. „Bei einer Werkzeugmaschinenspindel muss man zunächst eine geeignete Position finden, um Schwingungs- und Drehwinkelsensor an der Maschine anzubringen“, sagt Dr. Karl-Josef Hoffmann, Technical Consulting bei Schenck RoTec. Im ersten Schritt wird eine Messung im Urzustand des Rotors durchgeführt. Anschließend wird ein passendes Testgewicht abgeschätzt, das an einer Wuchtebene angebracht wird, um damit eine erneute Schwingungsmessung durchzuführen. Wenn der Rotor walzenförmig ist (gestreckte Form), ist eine zweite Wuchtebene notwendig. Dort wird ein weiterer Messlauf mit einer zweiten Testunwucht durchgeführt. Die erste Testunwucht kann wahlweise entfernt werden. Aus diesen Messläufen lassen sich die sogenannten „Einflusskoeffizienten“ bestimmen, mit denen sich der Ausgleich der Urunwucht berechnen lässt. Das lässt sich heute relativ einfach mit einem mobilen Schwingungsmessgerät realisieren.

Das Betriebsauswuchten lässt sich mit mobilen Geräten durchführen, dies spart Zeit und senkt dementsprechend die Kosten. © Schenck RoTec

Neben der Qualitätssicherung bietet das Betriebsauswuchten den Vorteil, dass die Spindel nicht aus der Werkzeugmaschine ausgebaut und auf eine Wuchtmaschine gelegt werden muss. Dadurch entfallen insbesondere zeit- und arbeitsaufwändige Justagearbeiten. Hinzu kommt, dass so auch der Unwuchtzustand im Originallager berücksichtigt wird. Häufig lässt sich das Auswuchten so schnell und kostengünstig durchführen. Stillstandzeiten fallen deutlich geringer aus.

Herausforderungen bei Werkzeugmaschinenspindeln

Der SmartBalancer ist ein portables Messgerät zum Betriebsauswuchten. Er ist an die CAB-Messgeräte angelehnt und bietet ihre Präzision und Komfort. © Schenck RoTec

„Eine Herausforderung ist es, geeignete Messstellen zu finden und an diese heranzukommen“, sagt Hoffmann. In einer Werkzeugmaschine ist in der Regel die Spindel durch andere Aggregate und Teile schwer zugänglich. Einhausungen und Versorgungsleitungen machen es schwierig, die Lagerstellen für die Messungen zu erreichen. Um messen zu können, müssen dann Schutzumhausungen demontiert, Späne und Öl beseitigt werden. Verschmutzte Anlagen kommen im Alltag häufig vor. Beim Auswuchten ist Sauberkeit geboten, denn mobile Schwingungsmessgeräte sind heutzutage zwar robust, können aber dennoch sehr genau messen. Wenn beispielsweise Flüssigkeiten oder Späne zwischen Messobjekt und Sensor liegen, führt das zu Fehlmessungen. „Ein weiterer wichtiger Faktor für ein erfolgreiche Schwingungsreduzierung sind natürlich die Erfahrung und das Know-how des Auswuchters“, fügt Hoffmann hinzu. Dazu gehören auch ein Verständnis der Konstruktion und der Maschinendynamik. Darüber hinaus sollte der Auswuchter erkennen, welche Schwingungsreduzierung im Einbauzustand technisch möglich ist. Je erfahrener der Auswuchter ist und je besser die Spindel für das Auswuchten vorbereitet ist, desto weniger Zeit ist für die Arbeiten notwendig. In so einem Fall lässt sich eine Werkzeugmaschinenspindel innerhalb von zwei Stunden auswuchten.

Abgrenzung zum Wuchten auf einer Auswuchtmaschine

Wuchtmaschinen kommen in der Regel bei der Fertigung von Teilen zum Einsatz. Beim Betriebsauswuchten steht meistens die Qualitätssicherung im Vordergrund. Werden Motor, Futter oder Lager einer Werkzeugmaschinenspindel gewechselt oder sonstige Reparaturen an drehenden Teilen vorgenommen, so verändern sich Unwuchten, die zu verstärkten Schwingungen führen. Solche Arbeiten sind häufig dann nötig, wenn die Spindel starken Bearbeitungskräften unterliegt. Insbesondere große Werkstücke und harte Materialien führen zum vorzeitigen Verschleiß von Spindel und Lagerung.

Ein Anwendungsfall, bei dem beide Wuchtverfahren zur Anwendung kommen, sind Unternehmen, die Spindeln herstellen und bei sich im Werk auf einer Wuchtmaschine auswuchten. Anschließend werden die Spindeln an den Kunden ausgeliefert, vor Ort eingebaut, und dann wird dort mit einem Betriebswuchtgerät erneut der Schwingungszustand kontrolliert. Nur so lässt sich eine optimale Laufruhe im Einbauzustand gewährleisteten.

Eine typische Anforderung seitens der Kunden an Werkzeugmaschinenspindeln ist eine hohe Laufruhe. Diese ist essenziell für eine optimale Produktionsqualität und verlängert zudem die Standfestigkeit der Werkzeuge. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass sich Auswuchten nicht nur entscheidend auf die Qualität des Werkstückes, sondern auch auf die Lebensdauer des Werkzeugs und der Spindel auswirkt.

Dr. Jens Zeyer, DIrector Marketing & PR bei Schenck RoTec / am