Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Identifikation der gebrauchsdauerreduzierenden Betriebszustände von Hauptspindellagerungen an Werkzeugmaschinen auf Basis der wirkenden dynamischen Last am Schneideneingriffspunkt (DynaLast)

Die Hauptspindel einer Werkzeugmaschine bestimmt maßgeblich Produktivität und Verfügbarkeit der Gesamtmaschine. Statistische Auswertungen der Ausfallursachen an Hauptspindeln zeigen, dass die Lagerung der Hauptspindel bei regulärem Betrieb maßgeblich die Gebrauchsdauer der Spindel beschränkt. Der dominante Versagensmechanismus bei Spindellagern ist der Verschleiß. Die dabei wirkenden Mechanismen unter Einwirkung der dynamischen Prozesslasten sind bisher nicht untersucht. Das Verständnis dieser Zusammenhänge bildet jedoch die Grundlage für eine Verbesserung der Spindel- und Lagerkonstruktion. Daher ist es Ziel dieses Projektes durch eine Kombination aus Modellbildung und Experiment den Zusammenhang zwischen den dynamischen Prozesskräften, den sich einstellenden Betriebsbedingungen der Spindellagerung und den daraus resultierenden Verschleißmechanismen zu untersuchen.

Ausgangspunkt des Projekts bildet ein Bearbeitungsprozess der die Gebrauchsdauer der Spindellagerung bekanntermaßen reduziert. Auf Basis dieses Prozesses werden durch Modellbildung der Spindel die sich einstellenden Betriebsbedingungen der Lagerung bestimmt. Parallel dazu, werden Prüfstände und Belastungseinheiten zur Durchführung von Dauerversuchen aufgebaut. Weiterhin werden die zu untersuchenden Spindeln mit Sensorik ausgerüstet. Nach erfolgter Inbetriebnahme der Prüftechnik werden die Versuchsspindeln bis zum Ende der Gebrauchsdauer auf den Prüfständen belastet. Nach Eintritt des Lagerschadens werden die Lager demontiert und einer Begutachtung unterzogen um die den Verschleiß verursachenden Mechanismen zu beurteilen. Diese Daten sowie die zuvor durch Modellbildung gewonnen Lagerbetriebsbedingungen während der Versuche, bilden die Grundlage für die Analyse der Korrelationen zwischen eintretenden Verschleißmechanismen, Lagerbetriebsbedingungen und dynamischen Eigenschaften der Prozesskräfte in einem abschließenden Schritt.

Ergebniszusammenfassung:

Ein wesentliches Projektergebnis ist das entwickelte Verfahren die wirkenden dynamischen Lagerlasten präzise zu messen und zu berechnen. Hierzu wurde eine Mess- und Auswertemethode entwickelt, die auf Basis der gemessenen relativen Verlagerung zwischen dem inneren und äußeren Lagerring die Lasten in der Lagerstelle berechnet. Diese Methode kann sowohl in der Maschine während der Zerspanung als auch im Prüfstand unter statischer und dynamischer Belastung angewendet werden. Mithilfe dieser Methode ist es möglich, kritische Prozesse hinsichtlich der Lagerbelastung zu identifizieren oder auch prozessparallel einer Überlast der Lagerung entgegenzuwirken. Mit diesen Informationen zu den tatsächlichen Lagerlasten kann weiterhin die Spindelkonstruktion (Lagerauswahl, Lagervorspannung, etc.) optimiert werden.

Nach derzeitigen Berechnungs- und Auslegungskriterien bestimmen häufig die kinematischen Grenzwerte im Lager die zulässige Belastung der Spindel. Berechnungen zeigen, dass der Grenzwert für den Kugelvor- und -nachlauf (KvKn) vor den zulässigen mechanischen Pressungen in den Wälzkontakten erreicht wird. In den Prüfstandsuntersuchungen mit hohen, unzulässigen Werten für den KvKn konnte jedoch kein Käfigschaden oder ein Ausfall des Lagers festgestellt werden. Somit ist davon auszugehen, dass der KvKn unter realen Lastbedingungen geringer ausfällt, oder keinen frühzeitigen Käfigschaden hervorruft. Somit können die zulässigen Kräfte auf die Spindel höher spezifiziert werden, sodass eine Steigerung der Wirtschaftlichkeit der gesamten Maschine durch höhere Zerspanraten erreicht wird.

In den Prüfstandsversuchen konnten hohe Verlagerungsamplituden der Spindelwelle im Resonanzbereich in axialer und radialer Richtung gemessen werden. Diese Verlagerungen führen neben hohen Lagerlasten zu hohen Relativbewegungen zwischen Werkstück und Werkzeug, welche die Werkstückqualität unmittelbar beeinflussen. Mithilfe der beschriebenen Methode können diese Betriebszustände vermieden werden.