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Motorspindel_München.ppt11.05.2010; Folie 1

Dipl.-Ing. Peter Manner Prielstr. 17 D-88696 Owingen Tel: +49 (7551) 6 24 96 Fax: +49 (7551) 91 53 36 Mobil: +49 (171) 75 63 000 E-Mail: [email protected] Internet: www.sv-manner.de

Von der IHK Bodensee-Oberschwaben öffentlich bestellter und vereidigter Sachverständiger für die Bewertung von Maschinen und industriellen Anlagen

Motorspindeln von WerkzeugmaschinenBauweise – Schäden – Reparatur

Generalversammlung, Inter-Expert

07.05.2010, Metz

Persönliche Vorstellung:Diplom-IngenieurBevor 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

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Agenda

Einführung in das ThemaHeutige Anforderungen an Antriebe von WerkzeugmaschinenAntriebe von Motorspindeln

AsynchronmotorSynchronmotorFrequenzumrichter

Schadenursachen bei SpindelschädenReparatur-Ablauf und -DokumentationReparaturkostenMaschinenversicherung und MotorspindelnHersteller und Reparaturfirmen für Motorspindeln

Grober Ablauf, Zeitrahmen

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Einführung in das Thema (1)

Fräskopf mit Motorspindel bei einem 5-Achs Portal-Hochleistungs-Fräs-Bearbeitungszentrum

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

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Motorspindel im Fräskopf

Fräskopf mit Motorspindel. Der Fräskopf ist drehbar um die z-Achse und kann die Motorspindel schwenken.

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Hochfrequenzspindel

Durchmesser 170 mm

n bis 30.000 U/min

N=15 bis 20 kW

Motorspindel

Durchmesser 205 mm

n bis 15.000 U/min

N=10 bis 15 kW

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.

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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

•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.

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Hauptspindel

GetriebeElektro-Motor

Riementrieb

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

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.

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Hauptspindel mit integriertem Hohlwellen-Motor = Motorspindel

Der Rotor des Elektromotors sitzt direkt auf der Hauptspindel

Diese Bauform wird zunehmend zum Standard bei heutigen Werkzeugmaschinen

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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

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.

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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.

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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.

Der Frequenzumrichter, der den Elektro-Motor mit einer variablen Frequenz speist und damit die Drehzahl der Hauptspindel ändert, besteht aus folgenden Baugruppen:NetzstromrichterDer Netzstromrichter wandelt die sinusförmige Netzspannung über Halbleiterventile in eine Gleichspannung in einem Zwischenkreis um.ZwischenkreisIm Zwischenkreis wird beim Spannungs - Umrichter die Energie in einem Kondensator gespeichert. (Beim Strom - Umrichter erfolgt die Energiespeicherung in einer Drossel.)MaschinenstromrichterDurch 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.SteuerungselektronikDie Steuerungselektronik regelt den Maschinenstromrichter hinsichtlich Frequenz und Spannung und überwacht neben den elektrischen Größen den thermischen Zustand des Antriebs.

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Antriebe von Motorspindeln (4) - Frequenzumrichter

Der Maschinenstromrichter erzeugt ein sinusbewertetes Impulsmuster, bei dem eine sinusförmige Ausgangs-Spannung erzeugt wird.

Durch zeitversetztes Schalten von sechs Wechselrichter-Ventilen entsteht aus der Gleichspannung im Zwischenkreis, ein phasenversetztes Wechselspannungssystem (Drehstromsystem), mit der der Elektromotor gespeist wird.

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Schadenursachen bei Spindelschäden (1)

Ca. 85% der Spindelschäden sind Lagerschäden

Anteil % Schadenart Ursachen100

90

80

70

60

50

40

30

20

10 SchmutzSchmierung

Sonstiges

Lagerschaden

Verschleiß

Kollision

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.

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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.

Bei einem Kollisionsschaden hat die Spindel in der Regel einen Schlag. Dieser Schlag wird auf einer Rollenbank mit einer Messuhr gemessen und dokumentiert..

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Reparatur-Ablauf und Dokumentation (1)

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 LuftfilterMaschinentyp, M´-Nummer, Baujahr, BetriebsstundenSpindelnummer, Spindelstunden, Begründung für Reparatur, Auffälligkeiten wie blockierte Spindel, Laufgeräusche, vermutete Schadenursache, Werte der Geometrievermessung vor Spindeltausch wie RundlaufabweichungSpindelnummer der AustauschspindelWeitere ausgetauschte Teile

Monteurbaut Spindel aus

Maschinen-Hersteller

versendet Spindel

Spindel-Herstellerrepariert Spindel

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.

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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.

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Beispiel: Prüfbericht bei Wareneingang, 6 Seiten mit Fotos und Checkliste

Fehlerbeschreibung

Widerstandsprüfung

Isolationsprüfung

Sensorprüfung

Mechanische Prüfung

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, TemperatursensorDrehdurchführungMechanische Prüfung: Werkzeugspannung, Rund- und Planlaufkonus, Rundlauf Messdorn

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Beispiel: Demontage-Bericht mit Aussagen zu

Spindellagern

Spannsystem

Welle

Lagergehäuse

Lagerschild

Stator

Elektrischen Komponenten

Spindellager: Untersuchungsbericht für alle 4 Lager hinsichtlich Schäden, Schmierungszustand, LaufgeräuschenSpannzangensystem: Mechanische Beschädigungen / VerschleißerscheinungenDrehdurchführungLöseeinheit

Spindelwelle mit Messwerten: Rundlauf Werkzeugkegel, Lagersitz 2; Planlauf HSK-Anlagefläche, Lagersitz A- und B-SeiteLagergehäuse, Lagerdeckel, Lagerschild

StatorElektrische Komponenten

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Gesamtansicht der Spindel vor Demontage

Innenring des Lagers 4 (B-Seite) mit starkem Lagerschaden (FD-Floating-Displacement-Lager, empfindlich gegen hochfrequente Schwingungen und Stöße)

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 2.000 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.

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Reparaturkosten

Gutschrift: Wenn Kunde die Spindel zurückschickt und eine Reparatur möglich ist.

- (Neupreis – Tauschpreis)

+ (Neupreis – Tauschpreis)

Tauschpreis

ErklärungPreiskomponente

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

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 aufeigene 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.

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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.

Eine Voraussetzung für den Anspruch auf Erstattung der Reparaturkosten durch den Maschinenversicherer ist, dass ein „unvorhergesehenes Ereignis“ vorliegen muss.

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Maschinenversicherung und Motorspindeln (2)

Klausel für Spindelschäden

•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.

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Hersteller und Reparaturfirmen für Motorspindeln (1)

Weiss Spindeltechnologie GmbH (eine Siemens Tochter)

Franz Kessler GmbH

Diebold GmbH

Deuschle Spindel Service

Egin Heinisch, Spindeldoktor

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.

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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.

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Ich danke Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit

Hinweis auf Unterlagen.

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