Analysen zur Optimierung von Frässpindeln

Foto von Spindel

Frässpindeln werden verwendet, um eine Vielzahl von Formen und Schalungen (z.B. Mobiltelefone) aus verschiedensten Materialien herzustellen. Die Spindel, die an der z-Achse der Fräsmaschinen montiert ist, fräst an einem auf der x-Achse gespannten Werkstück. In einigen Anwendungen werden Drehzahlen bis zu 100.000 U/min erreicht. Diese Spindeln müssen extreme Genauigkeitsanforderungen im Bereich von wenigen Mikrometern (µm) erfüllen!

Problemstellung

Um Kosten zu sparen bzw. um das Produktionsvolumen von gefertigten Werkstücken zu erhöhen, war es notwendig, die Fertigungszeit zu reduzieren. Dies konnte sowohl durch das Fräsen mit höheren Drehzahlen der Spindel erreicht werden, als auch durch eine erhöhte Vorschubbewegung der Fräsmaschinenachsen x-y-z. Durch höhere Beschleunigung und Verzögerung aller mechanischen Teile wirkten höhere Trägheitskräfte (Bewegung der Achsen) bzw. erhöhte Unwuchtkräfte (höhere Drehzahl der Spindel). Dies führte direkt zu einem höheren Schwingungsniveau und damit zu einer Abnahme der Fertigungsqualität.

Ein wichtiger Parameter, um trotzdem die Genauigkeit zu erhöhen, ist der mechanische Aufbau der Fräsmaschine insgesamt und insbesondere die mechanische Konstruktion der Spindel. Steifigkeit und Dämpfung haben einen erheblichen Einfluss auf das Schwingungsverhalten beim Fräsprozess und auf die Genauigkeit des hergestellten Werkstücks.
Der zweite Parameter, den es zu berücksichtigen galt, war die hohe Drehzahl von bis zu 100.000 Umdrehungen pro Minute, bei der die Unwuchtkräfte beachtliche Auswirkungen zeigten.

Gleichzeitig musste das "Gesamtschwingungsniveau“ relativ niedrig sein um die erforderliche Genauigkeit zu erreichen.

Messungen

Mithilfe der VIBROPORT 80 Module Kennwerte und Nachlaufanalyse, eines Beschleunigungssensors und eines optischen Sensors wurden mehrere Schwingungsmessungen bei variablen Drehzahlen vorgenommen. Die Messdaten wurden anschließend in die Report & EXaminer Software übertragen und nachverarbeitet, um weitere Informationen über das Systemverhalten zu bekommen.

Angesichts der hohen Drehzahl war eine robuste Drehzahlmessung sehr wichtig. Dazu galt es eine Reihe von Parametern zu beachten, wie z.B. die Drehzahl in verschiedenen Betriebszuständen, die Oberfläche und der Durchmesser der Welle (bzgl. Reflexband oder Triggermarke), äußere Störungen wie Geräusche oder elektromagnetische Einflüsse usw.

Zunächst wurde eine Messung während des Auslaufs der Spindel mit dem Kennwerte Modul vorgenommen (f(n) mm/s rms vs. Speed). Dann wurde die Spindel erneut hoch gefahren und Schwingungen während des Auslaufs, dieses Mal mit dem Modul Nachlaufanalyse gemessen.
Dabei wurden die Zeitsignaldaten (Schwinggeschwindigkeit durch Einfachintegration des Sensorsignals und das Drehzahl Triggersignal) erfasst und gespeichert.

Dann wurde mittels digitaler Signalverarbeitung im Modul Nachlaufanalyse ein Bodé Diagramm 1. Ordnung aus den zuvor gespeicherten Zeitsignalen berechnet.

Diese Dateien wurden in die Report & EXaminer Software zur Berechnung eines Wasserfalldiagramms und eines Spektrogramms übertragen – dem „Fingerabdruck“ der Spindel.

Schließlich wurden alle Messdaten und die errechneten Daten auf Richtigkeit und Konsistenz mittels spezieller Cursoren geprüft (Validierung).

Nutzen für den Kunden

Die Berechnung, Analyse und Bewertung der Diagramme dienten den Maschinenexperten vor Ort dazu, das mechanische Verhalten ihrer Frässpindeln zu optimieren, z.B. durch konstruktive Veränderungen an Steifigkeit und Dämpfung, und so das Gesamtschwingungsniveau zu reduzieren.

Durch die Nachverfolgung der Diagramme über die Spindel-Lebensdauer können Abweichungen von der Referenzmessung  (durchgeführt während der Produktion der Spindel) identifiziert werden. So lassen sich weitere Optimierungspotenziale, Hinweise auf Verschlechterung und Verlängerung der Wartungsintervalle erzielen.