Motorspindeln von Werkzeugmaschinen Bauweise Schäden Reparatur. Generalversammlung, Inter-Expert , Metz

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1 Motorspindeln von Werkzeugmaschinen Bauweise Schäden Reparatur Generalversammlung, Inter-Expert , Metz ; Folie 1 Persönliche Vorstellung: Diplom-Ingenieur Bevor ich mich selbständig machte, war ich als Leiter der Konstruktion und als Geschäftsführer in mittelständischen Unternehmen des Maschinen- und Anlagenbaus tätig. Seit 1981 selbständig als Beratender Ingenieur in unterschiedlichen Branchen mit Schwerpunkten Technik und Datenverarbeitung Seit 1986, also seit mehr als 20 Jahren, als Sachverständiger für die Bewertung von Maschinen und industriellen Anlagen öffentlich bestellt und vereidigt 1

2 Agenda Einführung in das Thema Heutige Anforderungen an Antriebe von Werkzeugmaschinen Antriebe von Motorspindeln Asynchronmotor Synchronmotor Frequenzumrichter Schadenursachen bei Spindelschäden Reparatur-Ablauf und -Dokumentation Reparaturkosten Maschinenversicherung und Motorspindeln Hersteller und Reparaturfirmen für Motorspindeln ; Folie 2 Grober Ablauf, Zeitrahmen 2

3 Einführung in das Thema (1) Fräskopf mit Motorspindel bei einem 5-Achs Portal- Hochleistungs-Fräs- Bearbeitungszentrum ; Folie 3 Worüber reden wir? Wo sitzt die Motorspindel bei einer Werkzeugmaschine? Auf dem Tisch, verfahrbar in x-richtung, das zu bearbeitende Werkstück Oberhalb vom Tisch das Portal, verfahrbar in y- und z-richtung, mit dem Fräskopf und der Motorspindel 3

4 Einführung in das Thema (2) Motorspindel im Fräskopf ; Folie 4 Fräskopf mit Motorspindel. Der Fräskopf ist drehbar um die z-achse und kann die Motorspindel schwenken. 4

5 Einführung in das Thema (3) Hochfrequenzspindel Durchmesser 170 mm n bis U/min N=15 bis 20 kw Motorspindel Durchmesser 205 mm n bis U/min N=10 bis 15 kw ; Folie 5 Links die A-Seite der Spindel: Hier wird mit einer Spannzange der Werkzeughalter eingespannt. Auf der A-Seite befindet sich das Festlager. Rechts die B-Seite der Spindel: Hier erfolgt die Energiezuführung und die Kühlmittelzuführung. Auf der B-Seite befindet sich das Loslager. 5

6 Heutige Anforderungen an Antriebe von Werkzeugmaschinen (1) Die Drehzahl muss an den Prozess anzupassen sein. Früher reichte dazu eine grobstufige Drehzahlanpassung über Getriebestufen aus. Heute werden jedoch Antriebe verlangt, die in einem weiten Bereich feinstufig in der Drehzahl eingestellt werden können. Darüber hinaus wird Wartungsarmut gefordert, um Betriebs- und Servicekosten gering zu halten Diese Bedingungen erfüllen Drehstrommotoren in Verbindung mit Frequenzumrichtern optimal ; Folie 6 Die Drehzahl der Spindel muss an den Prozess anzupassen sein. Die Bearbeitung unterschiedlicher Werkstoffe wie Stahl oder Aluminium, unterschiedliche Bearbeitungsarten wie Schrubben oder Feinfräsen erfordern unterschiedliche Spindeldrehzahlen. Auch die Form des zu bearbeitenden Werkstücks spielt bei der Auswahl der Drehzahl eine Rolle, um unerwünschte Schwingungen / Vibrationen zu vermeiden. Früher gab man sich mit einer grobstufigen Drehzahlanpassung über Getriebestufen zufrieden. Heute werden jedoch Antriebe verlangt, die in einem weiten Bereich feinstufig in der Drehzahl eingestellt werden können. Von den Spindelantrieben wird verlangt, dass sie wartungsarm sind, um die Betriebs- und Wartungskosten gering zu halten. Die Anforderungen an wartungsarme Antriebe erfüllen Drehstrommotoren in Verbindung mit Frequenzumrichtern optimal. 6

7 Heutige Anforderungen an Antriebe von Werkzeugmaschinen (2) Elektro-Motor Riementrieb Getriebe Hauptspindel Die Hauptspindel einer Werkzeugmaschine, in die das Werkzeug eingespannt wird, wird durch einen Elektromotor angetrieben. Bauarten: Hauptspindel-Antrieb über Riementrieb Direkte Kopplung der Hauptspindel mit einem Hohlwellenmotor Hauptspindel mit integriertem Hohlwellenmotor ; Folie 7 Kopplung des Elektromotors mit einem Getriebe und Antrieb der Hauptspindel über Riementrieb. Der Motor ist bei dieser Bauweise thermisch von der Spindel entkoppelt. Es können Hauptspindelmotoren mit Standardmaßen eingesetzt werden. Der Riementrieb begrenzt aber Drehzahl, Steifigkeit und Dynamik des Antriebs und damit die Produktivität der Werkzeugmaschine. 7

8 Heutige Anforderungen an Antriebe von Werkzeugmaschinen (3) Hauptspindel mit integriertem Hohlwellen- Motor = Motorspindel Der Rotor des Elektromotors sitzt direkt auf der Hauptspindel Diese Bauform wird zunehmend zum Standard bei heutigen Werkzeugmaschinen ; Folie 8 8

9 Antriebe von Motorspindeln (1) Asynchronmotor Der Antrieb der Motorspindel erfolgt alternativ über Asynchronmotor oder über :Synchronmotor Der Asynchronmotor ist Robust Preisgünstig Geeignet für hohe Drehzahlen und Benötigt keine Überspannungs- Schutzeinrichtung ; Folie 9 Der Antrieb der Motorspindel erfolgt alternativ über einen Asynchron- oder über einen Synchronmotor. Um die Drehzahl der Motoren zu verändern, wird ihre Statorwicklung über einen Frequenzumrichter gespeist. Im Stator befindet sich die Drehstrom-Wicklung, in der ein umlaufendes Drehfeld erzeugt wird. Der Rotor des Asynchronmotors bestehend aus einem Blechpaket, in das der Kurzschlusskäfig eingebaut ist, ist direkt mit der Spindelwelle verbunden. 9

10 Antriebe von Motorspindeln (2) - Synchronmotor Der Synchronmotor erreicht sehr große Drehmoment- und Beschleunigungs-Werte. Es werden Permanent- Magnete mit hoher Energiedichte verwendet. Höherer Aufwand im Schaltschrank bei Leistungsteilen und beim Überspannungsschutz ; Folie 10 10

11 Antriebe von Motorspindeln (3) - Frequenzumrichter Über einen Netzstromrichter wird die gleichgerichtete 50 Hz-Wechselspannung in einen Gleichstrom-Zwischenkreis eingespeist und Energie im Kondensator gespeichert. Der Maschinenstromrichter formt die Zwischenkreis- Gleichspannung über elektronische Schalter (Ventile) in ein neues Drehspannungs-System mit variabler Frequenz f und variabler Spannung U um ; Folie 11 Der Frequenzumrichter, der den Elektro-Motor mit einer variablen Frequenz speist und damit die Drehzahl der Hauptspindel ändert, besteht aus folgenden Baugruppen: Netzstromrichter Der Netzstromrichter wandelt die sinusförmige Netzspannung über Halbleiterventile in eine Gleichspannung in einem Zwischenkreis um. Zwischenkreis Im Zwischenkreis wird beim Spannungs - Umrichter die Energie in einem Kondensator gespeichert. (Beim Strom - Umrichter erfolgt die Energiespeicherung in einer Drossel.) Maschinenstromrichter Durch zeitversetztes Schalten von sechs Wechselrichter-Ventilen entsteht aus der Gleichspannung im Zwischenkreis, Uz, ein phasenversetztes Wechselspannungssystem, mit der der Elektromotor gespeist wird. Der Maschinenstromrichter erzeugt ein Impulsmuster, bei dem eine sinusförmige Ausgangsspannung, U1, erzeugt wird. Steuerungselektronik Die Steuerungselektronik regelt den Maschinenstromrichter hinsichtlich Frequenz und Spannung und überwacht neben den elektrischen Größen den thermischen Zustand des Antriebs. 11

12 Antriebe von Motorspindeln (4) - Frequenzumrichter Der Maschinenstromrichter erzeugt ein sinusbewertetes Impulsmuster, bei dem eine sinusförmige Ausgangs- Spannung erzeugt wird ; Folie 12 Durch zeitversetztes Schalten von sechs Wechselrichter-Ventilen entsteht aus der Gleichspannung im Zwischenkreis, ein phasenversetztes Wechselspannungssystem (Drehstromsystem), mit der der Elektromotor gespeist wird. 12

13 Schadenursachen bei Spindelschäden (1) Ca. 85% der Spindelschäden sind Lagerschäden Anteil % Schadenart Ursachen 100 Sonstiges Verschleiß Lagerschaden Kollision 10 Schmutz Schmierung ; Folie 13 Lagerschaden-Ursachen (85% insgesamt) davon:. Verschleiß (50%): Keine Leistung durch den Versicherer; durchschnittliche wirtschaftliche Nutzungsdauer um 10 (7-9) Tsd. Spindelstunden bei kleineren (größeren) Spindeldurchmessern Kollision (40%): Trifft das Werkzeug, das mit der Motorspindel über den Werkzeughalter verbunden ist, mit Gewalt, z. B. aufgrund eines Programmierfehlers, auf das Werkstück oder den Arbeitstisch, werden in der Regel die Spindellager beschädigt und die Spindelwelle wird verformt. Leistung durch Versicherer; Verformung der Spindelwelle wird mit Messuhr bei Demontage gemessen. Schäden aufgrund einer Kollision führen sehr oft zu Folgeschäden an Drehdurchführung, am Geber oder am Spannsystem Schmierung (5%): Bei ungenügender Schmierung der Lager kommt es zu Lagerschäden. Ungenügende Schmierung kann verursacht werden durch Ausfall der Fettnachschmiereinheit oder durch Filterprobleme. Schmierfehler bei Demontage optisch erkennbar; Schmutz (5%): Bei dreckiger Umgebung und verschmutztem/fehlendem Luftfilter kommt es zu Verunreinigungen der Lager und ggf. zu ungenügender Wärmeabfuhr in der Motorspindel. Neben Lagerschäden kann auch ein Windungsschluss durch zu hohe Temperaturen die Folge sein. Schmutz bei Demontage optisch erkennbar; Schwingungen/Vibrationen: Unerwünschte Schwingungen/Vibrationen können zu einem vorzeitigen Lagerverschleiß führen. Es gibt zwar einen Trend, die Spindel durch Sensoren für Vibrationen, Temperatur und Drehmoment zu überwachen. Aber nach Erfahrungen der Hersteller werden Sensoren nur in einem begrenztem Umfang eingesetzt. Sonstige Schäden (15% insgesamt): Drehdurchführung: Schäden an der Drehdurchführung können zur Spindelüberflutung, zum Kurzschluss und zu Lagerschäden führen. Schäden am Geber oder am Spannsystem: Schäden an Geber, Spannsystem oder Drehdurchführung sind häufig ein Folgeschaden aufgrund einer Kollision. Montagefehler bei den Anpassungen: Die Inbetriebnahme einer Spindeleinheit in Werkzeugmaschinen erfordert Zeit und Wissen. Werden bei der manuellen Eingabe z. B. von Kennwerten des Motors oder des Gebersystems Fehler gemacht, versagt die Spindel nach kurzer Zeit. 13

14 Schadenursachen bei Spindelschäden (2) Wenn das Werkzeug mit Gewalt gegen den Aufspanntisch oder das Werkstück fährt, spricht man von Kollision Die Spindelwelle wird auf einer Rollenbank überprüft Mit einer Messuhr wird der Spindelschlag gemessen ; Folie 14 Bei einem Kollisionsschaden hat die Spindel in der Regel einen Schlag. Dieser Schlag wird auf einer Rollenbank mit einer Messuhr gemessen und dokumentiert.. 14

15 Reparatur-Ablauf und Dokumentation (1) Monteur baut Spindel aus Maschinen- Hersteller versendet Spindel Spindel-Hersteller repariert Spindel In der Regel werden Motorspindeln von Herstellern der Werkzeugmaschinen zugekauft. Kommt es zu einem Spindelschaden, baut der Monteur des Herstellers die beschädigte Spindel aus und eine Austauschspindel ein. Wichtige Daten im Montagebericht: Adressdaten, Teilespektrum, überwiegende Spindeldrehzahl, Anzahl Schicht, Temperaturumfeld, Zustand Luftfilter Maschinentyp, M -Nummer, Baujahr, Betriebsstunden Spindelnummer, Spindelstunden, Begründung für Reparatur, Auffälligkeiten wie blockierte Spindel, Laufgeräusche, vermutete Schadenursache, Werte der Geometrievermessung vor Spindeltausch wie Rundlaufabweichung Spindelnummer der Austauschspindel Weitere ausgetauschte Teile ; Folie 15 Üblicher Ablauf: Der Monteur des Werkzeugmaschinen-Herstellers bringt eine generalüberholte Tauschspindel mit und baut sie ein. Die Seriennummern der alten und neuen Spindel werden dokumentiert. Der Betriebsstundenzähler für die Spindellaufzeit wird abgelesen, dokumentiert und zurückgesetzt. 15

16 Reparatur-Ablauf und Dokumentation (2) Der Spindel-Hersteller erstellt in der Regel einen Prüfbericht bei Wareneingang mit Fotos Im Prüfbericht werden festgehalten: Beschreibung des / der Fehler(s), Ergebnisse der Widerstands-, Isolations-, Sensor- und mechanische Prüfung Demontagebericht mit Fotos Der Demontagebericht enthält Aussagen zum Zustand von Spindellagern, Spannsystem, Spindelwelle, Lagergehäuse, Lagerschild, Stator, elektrischen Komponenten Der Demontagebericht ist die Basis für das Reparaturangebot an den Werkzeugmaschinenhersteller ; Folie 16 16

17 Reparatur-Ablauf und Dokumentation (3) Beispiel: Prüfbericht bei Wareneingang, 6 Seiten mit Fotos und Checkliste Fehlerbeschreibung Widerstandsprüfung Isolationsprüfung Sensorprüfung Mechanische Prüfung ; Folie 17 Bei Wareneingang wird die Spindel fotografiert und ein Eingangsprüfbericht erstellt mit folgenden Informationen: Kunde, Seriennummer der Spindel, Anzahl Betriebsstunden, Fehlerbeschreibung des Kunden/Monteurs, Gewährleistung (ja/nein) Elektrische Prüfung: Spindelmotortyp (synchron / asynchron), Widerstandsprüfung aller 3 Phasen (Ist/Soll), Isolationsprüfung (Gehäuse Phase, Phase Phase, Gehäusewärmeschutz, Phasen Wärmeschutz, Spannkraft; Sensor für Werkzeugposition, Temperatursensor Drehdurchführung Mechanische Prüfung: Werkzeugspannung, Rund- und Planlaufkonus, Rundlauf Messdorn 17

18 Reparatur-Ablauf und Dokumentation (4) Beispiel: Demontage- Bericht mit Aussagen zu Spindellagern Spannsystem Welle Lagergehäuse Lagerschild Stator Elektrischen Komponenten ; Folie 18 Spindellager: Untersuchungsbericht für alle 4 Lager hinsichtlich Schäden, Schmierungszustand, Laufgeräuschen Spannzangensystem: Mechanische Beschädigungen / Verschleißerscheinungen Drehdurchführung Löseeinheit Spindelwelle mit Messwerten: Rundlauf Werkzeugkegel, Lagersitz 2; Planlauf HSK-Anlagefläche, Lagersitz A- und B-Seite Lagergehäuse, Lagerdeckel, Lagerschild Stator Elektrische Komponenten 18

19 Reparatur-Ablauf und Dokumentation (5) Gesamtansicht der Spindel vor Demontage Innenring des Lagers 4 (B-Seite) mit starkem Lagerschaden (FD- Floating-Displacement- Lager, empfindlich gegen hochfrequente Schwingungen und Stöße) ; Folie 19 Spindeldemontage beim Spindelhersteller: Nach und nach Zerlegung der Spindel in Einzelteile. Die Lager gehen bei der Demontage kaputt. Die demontierten Einzelteile werden sortiert nach -wieder verwendbar und -nicht wieder verwendbar und bilden die Basis für das Reparaturangebot. Unteres Bild: Im vorliegenden Fall waren hochfrequente Schwingungen bei der Bearbeitung von Aluminium-Flugzeugteilen die Ursache für einen vorzeitigen Lagerverschleiß. Spindelstunden im vorliegenden Fall weniger als Stunden. Die eingesetzten FD-Lager sind sehr empfindlich gegen hochfrequente Schwingungen. Das Bearbeitungszentrum ist zwar mit einem Schwingungssensor ausgerüstet, der bei sehr hohen Frequenz aber nicht mehr richtig misst. 19

20 Reparaturkosten Preiskomponente Erklärung Tauschpreis + (Neupreis Tauschpreis) - (Neupreis Tauschpreis) Gutschrift: Wenn Kunde die Spindel zurückschickt und eine Reparatur möglich ist. Reparaturpreis beim Hersteller ca. 70% des Neupreises und Spindel-Garantie für 12 Monate Reparaturpreis bei Externen ca. 30 bis 50% des Neupreises und Garantie nur für ersetzte Teile ; Folie 20 Der Werkzeugmaschinen-Hersteller berechnet an den Kunden den Tauschpreis und (Neupreis-Tauschpreis). Wenn Kunde Spindel zurücksendet und eine wirtschaftliche Reparatur möglich ist, wird dem Kunden (Neupreis Tauschpreis ) wieder gutgeschrieben. Je nach Auslastung der Hersteller kann die Übersendung der Gutschrift 6 bis 8 Wochen betragen. Der VN vergisst häufiger anzugeben, dass er (noch) eine Gutschrift bekommen hat. Weil die Werkzeugmaschinenhersteller vergleichsweise hohe Preise für Spindelreparaturen nehmen, führen Spindelhersteller und Maschinen- Reparaturbetriebe mit zunehmender Tendenz Spindelreparaturen auf eigene Rechnung aus. Sie arbeiten zum Teil mit freiberuflichen Monteuren zusammen, die für sie die Spindel aus- und wieder einbauen. Der Reparaturpreis liegt bei Externen bei 30 bis 50% des Neupreises. Eine Garantie wird für ersetzte Teile gegeben. Die Reparaturdauer liegt bei mindestens zwei Wochen, weil die beschädigte Spindel repariert wird und in der Regel eine Austauschspindel nicht zur Verfügung steht, die sofort eingebaut werden kann. 20

21 Maschinenversicherung und Motorspindeln (1) Die vergleichsweise hohe Zahl von Spindelschäden einerseits und Preise von ca. 20 Tsd. für eine Spindelreparatur durch den Werkzeugmaschinen- Hersteller andererseits haben dazu geführt, dass die Versicherungsunternehmen kritisch prüfen, ob ein unvorhergesehenes Ereignis bei einem Spindelschaden vorliegt. Eine Kollision / ein Crash ist zweifellos ein unvorhergesehenes Ereignis. Keine unvorhergesehenen Ereignisse sind jedoch Lagerschäden aufgrund von Verschleiß, weil die Spindel ihre durchschnittliche wirtschaftliche Nutzungsdauer ausgedrückt in Spindelstunden erreicht hat, oder Verschmutzung, weil der Maschinenbediener den Luftfilter nicht regelmäßig ersetzt hat und nach und nach die Spindel verdreckte und ein Windungsschluss durch Überhitzung entstand ; Folie 21 Eine Voraussetzung für den Anspruch auf Erstattung der Reparaturkosten durch den Maschinenversicherer ist, dass ein unvorhergesehenes Ereignis vorliegen muss. 21

22 Maschinenversicherung und Motorspindeln (2) Klausel für Spindelschäden ; Folie 22 Die Motorspindel ist ein Verschleißteil. Die vergleichsweise häufige Schadenursache Schaden an der Motorspindel hat bei Maschinenversicherern zur Spindelklausel geführt. Ähnlich wie bei Röntgenröhren versucht der Versicherer eine Pauschallösung zu finden. Die Benutzungsdauer wird von dem Zeitpunkt an gerechnet, zu dem der erste Besitzer die Nutzungsmöglichkeit hatte. 22

23 Hersteller und Reparaturfirmen für Motorspindeln (1) Weiss Spindeltechnologie GmbH (eine Siemens Tochter) Franz Kessler GmbH Diebold GmbH Deuschle Spindel Service Egin Heinisch, Spindeldoktor ; Folie 23 Die vergleichsweise hohen Reparatur-Preise der Werkzeugmaschinen- Hersteller einerseits und die häufigen Spindelschäden andererseits haben dazu geführt, dass zunehmend andere Firmen entdecken, dass die Reparatur von Motorspindeln ein lukratives Geschäft ist. Die Hersteller von Motorspindeln kommen vom Antriebsmotorenbau wie z. B. Fa. Kessler oder von Werkzeugspannsystemen wie z. B. Fa. Diebold. Einige Hersteller haben mit der Reparatur von Motorspindeln begonnen und bauen jetzt eigene Motorspindeln. Die Reparatur von Motorspindeln ist ein lukratives Geschäft für Werkzeugmaschinen-Hersteller, nicht für den Spindel-Hersteller! und auch inzwischen für Reparatur-Betriebe. 23

24 Hersteller und Reparaturfirmen für Motorspindeln (2) ; Folie 24 Konzerne wie Bosch, Daimler, MTU, ZF nutzen das Angebot von Reparaturfirmen statt die Leistung des Werkzeugmaschinen-Herstellers in Anspruch zu nehmen. In der Regel sind die Gewährleistungszeiten der Reparaturfirmen kürzer als die der Werkzeugmaschinen-Hersteller. 24

25 Hersteller und Reparaturfirmen für Motorspindeln (3) ; Folie 25 25

26 Ich danke Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit ; Folie 26 Hinweis auf Unterlagen. 26