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Bei den reparaturbedürftigen Schadensfolgen an den Maschinen dominieren Schäden an den stoßempfindlichen Motorspindeln wie beispielsweise Lagerschäden in Folge von Eindrücken an den Lagerringen. Die durchschnittlichen Instandsetzungskosten der Werkzeugmaschine nach einer heftigen Kollision betragen Untersuchungen der WZL Aachen zufolge rund 23 000 Euro. Oftmals fallen die Folgekosten durch den Maschinenausfall sogar noch weit höher aus, als die reinen Reparaturaufwendungen.
Mechanische Überlastschutzsysteme werden konstruktiv im Kraftfluss der Maschine integriert und vermeiden bei Überlast durch Puffer oder Momentenfluss- bzw. Kraftflussentkopplung den Kollisionsschaden. Aufgrund der oftmals einfacheren Integrierbarkeit werden heutzutage Sicherheitskupplungen mit Drehmoment begrenzender Mechanik eingesetzt. Diese trennen mechanisch beim Überschreiten eines einstellbaren Grenzmoments den Drehmomentfluss zwischen Antrieb und Antriebsstrang.
Aus Kostengründen erfolgt der Einbau der Kupplungen oftmals zwischen Antriebsmotor und Getriebe, auch aufgrund der geringeren Drehmomente. Dadurch sind jedoch auch nachgelagerte Antriebselemente (Lagerungen, Spindelmutter) auch nach der Trennung vom Antrieb voll dem Kraftfluss und den durch den Stoß angeregten Schwingungen ausgesetzt. Insbesondere bei stoßempfindlichen Lagern und Kugel-Gewindetrieben können dadurch Beschädigungen an den Laufbahnen der Wälzelemente auftreten.
Für den effektiven Einsatz der Sicherheitskupplungen ist zudem der Einbau einer zusätzlichen Bremse erforderlich. Hinzu kommt, dass jede abzusichernde Antriebsachse den Einsatz einer separaten Sicherheitskupplung erfordert, wodurch die Ausrüstungskosten ansteigen. Zudem sind Sicherheitskupplungen bei Linearmotor-getriebenen Vorschubantrieben nicht einsetzbar.
Mechanischer Schutz mit Doppelflansch
Einen neuen Lösungsansatz für den mechanischen Maschinenschutz bei Überlast am Werkzeug verfolgt das Motorspindel-Schutzsystem von Jakob Antriebstechnik. Das innovative Schutzsystem umfasst ein gefügtes Doppelflanschsystem. Der Kraftschluss und die hohe Steifigkeit des Flanschsystems werden durch ein Permanentmagnetsystem mit hohen Haftkräften erreicht. Der Einbau erfolgt an der Trennstelle von Motorspindel und Spindelkasten.
Die Funktionsweise des Schutzsystems basiert auf einem abrupten Steifigkeitsabfall und unmittelbarer Trennung der Flansche beim Erreichen einer Lastgrenze unterhalb der ertragbaren maximalen Komponentenbelastung (i. A. der Tragfähigkeit der Spindellager). Das Auskoppeln der Spindel aus dem Kraftfluss der Maschine erfolgt in Abhängigkeit der Überlastsituation am Werkzeug durch axialen Aushub oder radiales Ausschwenken der Spindel. Mit dem Ablösen des motorspindelseitigen Flansches und zunehmendem Luftspalt nimmt die Haftkraft der Magnete rapide ab. Nach der Trennung übernehmen die Feder-Dämpferelemente die Abstützung und Führung, die Motorspindel kann dadurch um einen einstellbaren Federweg auslenken.
Der Pufferweg entspricht im Idealfall dem Reaktions- und Bremsweg der Maschinenachsen. Stoßdämpfer absorbieren die kinetische Energie des Stoßes, wodurch Kraftspitzen gedämpft werden. Im Spindelflansch integrierte Sensoren erfassen den Fügezustand der Trennstelle. Durch einen in der Steuerung implementierten Automatismus reversieren die Vorschubantriebe unmittelbar und die Motorspindel wird frei gefahren. Anschließend fügen sich die Hälften des Schutzsystems durch die Rückstellkräfte von Federn und Magneten wieder selbsttätig in die Ausgangsposition zusammen. Die Motorspindel wird dadurch im Überlastfall effektiv geschützt. Messungen zeigen, dass hohe radiale Wiederholgenauigkeiten (< 5 µm) durch den Einsatz einer Kegel-Plananlage in der Trennstelle erreicht wird.
Stabil auch bei anspruchsvollen Zerspanprozessen
Im Betriebszustand gewährleistet die Sicherheitslösung hohe Prozessstabilität auch bei anspruchsvollen Zerspanvorgängen. Untersuchungen des PTW der TU Darmstadt zeigen, dass bei Bearbeitung eines höherfesten Formenbaustahls (42CrMo4V) mit einem zweischneidigen Hartmetall-Schaftfräser eine minimale Grenzspanungstiefe ap,grenz von 6,5 mm mühelos erreicht werden kann. Ein unkontrolliertes Ausrücken der Spindel im Bereich der stabilen Zerspanung tritt nicht auf. Die hohe Steifigkeit wird durch die magnetbasierte Kraftschlussverbindung der Trennstelle mit auslegbaren Haftkräften von 10 – 30 kN – je nach Motorspindelgröße – erzielt.
Das Schutzsystem überdauert auch mehrere Kollisionen im Lebenszyklus der Maschine zerstörungsfrei. Unabhängig von der Zahl der Achsen in der Werkzeugmaschine ist im Gegensatz zur Sicherheitskupplung nur ein Schutzsystem pro Motorspindel erforderlich. Bereits nach einer einmaligen schadenfrei überstandenen durchschnittlichen Kollisionssituation hat sich der Einbau des Motorspindelschutzsystems mehr als amortisiert.
Jakob Antriebstechnik www.jakobantriebstechnik.de
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