Es ist an der Zeit, sich ernsthaft mit dem Auswuchten von Werkzeugen zu befassen

Mar 22, 2023

Ich wette, Sie wuchten Ihre Reifen aus. Und die meisten Ihrer Freunde tun das wahrscheinlich auch. Warum starten so viele Betriebe die Produktion, ohne ihre Schneidwerkzeuge und Schleifscheiben auszuwuchten?

Der Grund sollte nicht sein, dass sie mit niedrigen Geschwindigkeiten laufen. Schließlich drehen die Reifen Ihres Autos beim Fahren auf der Autobahn nur mit 700–900 U/min. Wahrscheinlicher ist, dass es daran liegt, dass zu viele Fertigungsexperten die potenziellen Vorteile der Ausbalancierung ihrer Werkzeuge unterschätzen. Und in einigen Fällen machen Verbesserungen das Ausbalancieren zu einem Kinderspiel.

Warum also ausbalancieren? Und wie?

Laut Brendt Holden, Präsident von Haimer USA, in Villa Park, Illinois, profitieren alle Arten der Bearbeitung von ausgewogenen Werkzeugen, denn nur so können Sie Ihre Oberflächengüte und Spindellebensdauer optimieren. Umgekehrt beobachtete er, dass Bediener eine Maschine oft verlangsamen, um ein Problem mit der Oberflächenbeschaffenheit oder Genauigkeit zu lösen, wenn das eigentliche Problem in einem unausgeglichenen Werkzeug liegt.

Tatsächlich sagte Holden, dass einige der größten Erfolge von Haimer darin bestehen, dass Werkstätten Bohrköpfe mit relativ niedrigen Geschwindigkeiten betreiben. Er erinnerte sich an ein solches Beispiel, bei dem der Kunde die Drehzahl auf 300 U/min reduzierte, weil sonst die Bewegung im Bohrkopf zu übergroßen Löchern führte. Durch einfaches Auswuchten des Werkzeugs konnte das Unternehmen die erforderliche Genauigkeit erreichen und „das Werkzeug mit 1.200 U/min und der vierfachen Vorschubgeschwindigkeit laufen lassen“, fügte Holden hinzu.

„Während die Fälle anwendungsabhängig sind, gibt es Situationen und Faktoren, die eine Abwägung erfordern“, bemerkte Dieter Marx, Gründer und Geschäftsführer der MPM Micro Präzision Marx GmbH, Erlangen, Deutschland. Er behauptete beispielsweise, dass absolut jedes Werkzeug, das über 4.000 U/min läuft, ausgewuchtet werden muss, ebenso wie jedes Werkzeug aus polykristallinem Diamant (PKD). Einschneide- und Einschneidewerkzeuge (einschließlich vieler Bohrköpfe) sind hingegen von Natur aus unausgeglichen und daher laut Marx fast immer ein „Muss“.

Komplexe Portierungswerkzeuge und Werkzeuge mit mehreren Einsätzen in ungleichen Winkeln sind ebenfalls offensichtliche Kandidaten für das Auswuchten.

Auch asymmetrische Werkzeuge müssen ausgewuchtet werden, zumindest um mit höheren Geschwindigkeiten zu laufen, fügte Simon Manns, Vizepräsident der Werkzeugschleifabteilung bei United Grinding North America, Miamisburg, Ohio, hinzu. Dazu gehören Werkzeuge mit variablen Helices und ungleicher Indizierung (Merkmale, die selbst hinzugefügt wurden, um Oberschwingungen zu bekämpfen, die bei höheren Geschwindigkeiten auftreten).

Manns wies darauf hin, dass Werkzeuge mit einer ungeraden Anzahl von Nuten nicht symmetrisch sind, selbst wenn sie gleich indexiert sind. „Es ist die Kerbe. Wenn es sich um ein Werkzeug mit drei Schneiden handelt, hat man normalerweise einen langen und zwei kurze Zähne. Die Kerbe ist am langen Zahn stärker als an den kurzen Zähnen. Dadurch entsteht eine Unwucht am Ende des Werkzeugs.“

Größe und Geschwindigkeit seien wichtig, fuhr Manns fort. „Wenn Sie ein Werkzeug mit einem Durchmesser von bis zu einem halben Zoll, fünf Achtel und dreiviertel Zoll erhalten, gibt es einen erheblichen Unterschied in dem Material, das Sie am Ende für die Einkerbung entfernt haben.“

Seltsamerweise sagte Holden, er sei auf Fälle von scheinbar symmetrischen, zweischneidigen Vollhartmetall-Schaftfräsern mit großem Durchmesser gestoßen, die erheblich aus dem Gleichgewicht geraten seien. Er führte dies darauf zurück, dass der Werkzeugmacher sich darauf konzentrierte, eine perfekte Schneidkante zu erzielen, während er es versäumte, identische Nuten zu schleifen.

Das Ausbalancieren kann auch die Lösung für ein scheinbar unabhängiges Problem sein. Holden erzählte vom Fall eines Automobilunternehmens, das streng vorgewuchtete Werkzeughalterbaugruppen für die Motorenproduktion kaufte. „Auf dem Druck stand, dass die Werkzeugbaugruppe mit der Qualitätsstufe G2,5 bei 15.000 U/min ausgewuchtet zu ihnen kommen musste. Aber sie hatten keine Möglichkeit, dies zu überprüfen.“

Das Unternehmen hatte keine Maschinen mit mehr als 8.000 U/min, dennoch lag die Rate ungeplanter Werkzeugwechsel während der Produktion bei 57 Prozent.

Anschließend kaufte der Autohersteller eine Auswuchtmaschine von Haimer, um die eingehenden Werkzeuge zu prüfen, und lehnte alle Werkzeugbaugruppen ab, die nicht den Spezifikationen entsprachen. Dadurch sanken die ungeplanten Werkzeugwechselzeiten auf nur 7 Prozent, sagte Holden und wies darauf hin, dass das Unternehmen während einer sechsmonatigen Testphase 250.000 US-Dollar eingespart habe.

„Sie kauften den Balancer als Gut/Schlecht-Messgerät, um ihre Schneidwerkzeuglieferanten zur Rechenschaft zu ziehen, und es löste interne Probleme, von denen sie nicht wussten, dass sie sie hatten“, fügte er hinzu.

Hersteller guter Schneidwerkzeuge berücksichtigen bei der Herstellung des Werkzeugs das Auswuchten. Laut Designmanager Ranulfo Vieiro verfolgt beispielsweise Sandvik Coromant US, Westminster, SC, einen „Balanced by Design“-Ansatz. Das Unternehmen erstellte seine indexierbaren Werkzeuge in 3D mit der Siemens NX-Software, die es Sandvik ermöglicht, die Unwucht eines Werkzeugs zu analysieren und das Design entsprechend anzupassen.

Dadurch wird das Design verbessert, es ist jedoch möglicherweise nicht perfekt.

Sobald ein Werkzeugkörper gebaut sei, fuhr Vieiro fort, werde er dann auf einer Haimer-Maschine ausgewuchtet. In etwa 90 Prozent der Fälle ist ein kleiner Materialabtrag erforderlich, um den Körper ins Gleichgewicht zu bringen und die G2,5-Gleichgewichtsqualität zu erreichen. Sandvik wird einen Werkzeugkörper ohne Einsätze und die fertige Baugruppe mit nur für diesen Zweck verwendeten Master-Einsätzen prüfen, sagte Vieiro.

Bei Vollhartmetallfräsern wird offenbar weniger auf die Auswuchtung des Werkzeugs geachtet. Die Marke Walter von United Grinding und ANCA USA mit Sitz in Wixom, Michigan, bieten beide Software dafür an. Diese Systeme werten die 3D-Werkzeuggeometrie aus, um die Unwucht vorherzusagen, und bieten dann Optionen zum Verschieben des Schwerpunkts, um das Werkzeug ins Gleichgewicht zu bringen.

Eine gängige Ausgleichsmethode besteht darin, eine Flöte leicht zu verlängern. Oft sei dies kaum wahrnehmbar, vielleicht nur 0,5 mm, sagte Manns.

Diese Techniken sind nützlich, wenn auch nicht perfekt. Außerdem sind sie auf Werkzeuge mit gleichmäßiger Dichte beschränkt – auf einem gelöteten PKD-Werkzeug sind sie bei weitem nicht so gut geeignet.

Ausgeglichene Schneidwerkzeuge geben Herstellern die Freiheit, Werkzeuge in ihren Haltern auszutauschen, ohne die Baugruppe neu ausbalancieren zu müssen. Aber es kommt wirklich auf die komplette Baugruppe an, denn es nützt nichts, ein ausgewuchtetes Werkzeug zu haben, wenn das Spannfutter nicht im Gleichgewicht ist.

Sie könnten sogar ein ausgewuchtetes Werkzeug in einem ausgewuchteten Spannfutter haben und feststellen, dass der Anzugsbolzen es aus dem Gleichgewicht bringt. Holden beschrieb ein unglückliches Szenario, in dem ein Bediener eine Abflachung an einem perfekt ausbalancierten Schneidwerkzeug schleifte, weil er es in einem Weldon-Halter laufen lassen musste. Eine solche Situation schreit nach „Neues Gleichgewicht!“ Marx ist der Ansicht, dass ein Werkzeug auch nach dem Wechsel einer einzelnen Wendeschneidplatte neu ausgewuchtet werden sollte.

Die Scheibe ist das Werkzeug bei Schleifvorgängen, und die Auswuchtung ist ebenso wichtig, wenn Sie die Lebensdauer von Scheibe und Spindel maximieren und gleichzeitig die beste Oberflächengüte eines Teils erzielen möchten. Andererseits können Sie wie bei Schneidwerkzeugen auch darauf verzichten, wenn Sie bei diesen Faktoren nicht zu wählerisch sind.

Wie Manns es ausdrückte: Niemand bereut jemals den Kauf eines Balancers. „Sobald man es sieht, liegen die Vorteile auf der Hand.“

Aber sowohl Manns als auch Jack Hooper, leitender Prozessingenieur bei Sandvik Coromant, sagten, die Qualität der heutigen Werkzeugschleifscheiben sei so hoch, dass man bei richtiger Abrichtung gute Werkzeuge ohne Auswuchten schleifen könne. Nicht die besten Werkzeuge. Aber gute Werkzeuge.

Laut Manns gibt es beim Fünf-Achs-Werkzeugschleifen zwei Fälle, die praktisch ein Auswuchten der Scheiben erfordern. Die erste besteht in der Herstellung von Mikro- und Kleinwerkzeugen. „Man braucht nur eine winzige Vibration, um ein Werkzeug mit einem Durchmesser von einem halben Millimeter zu zerstören“, erklärte er.

„Ihre Räder sind der Schlüssel. Bei kleineren Werkzeugen ist das Auswuchten sehr wichtig.“ Das Auswuchten der Räder ist auch „fast notwendig, um bei diesen kleineren Werkzeugen eine wirklich schöne Endgeometrie genau zu erzeugen.“

Der zweite Fall betrifft Erodiermaschinen mit doppelseitiger Spindel. In dieser Konfiguration wird normalerweise auf der einen Seite mit Kupferelektroden erodiert und auf der anderen Seite geschliffen. Manns sagte, die Kupferräder seien oft „ziemlich aus dem Gleichgewicht geraten“. Beim Erodieren spielt das keine Rolle, da dies bei sehr niedrigen Drehzahlen geschieht. Wenn Sie jedoch auf Schleifen umsteigen, kann es sein, dass die gesamte Spindel mit 4.000 U/min oder mehr läuft. Daher beeinträchtigen die unausgeglichenen Elektroden den Schleifvorgang.

Es gibt noch einen weiteren wichtigen Punkt für das Ausbalancieren beim Werkzeugschleifen: die Maximierung des Durchsatzes. Unter Berufung auf eine vor sieben Jahren von OSG USA in Bentonville, Illinois, durchgeführte Studie bezeichnete Holden dies als „wahrscheinlich die einfachste Amortisation, die wir je bei einem unserer Produkte gesehen haben“.

OSG schleifte eine Million Werkzeuge pro Jahr, bevor es das Auswuchten von Rädern zu seinem Prozess hinzufügte, was eine statistisch aussagekräftige Studienbasis lieferte. Das Auswuchten von Rädern auf G2,5 bei 10.000 U/min senkte den Stromverbrauch einer Maschine um 18 Prozent und erhöhte gleichzeitig die Lebensdauer der Räder um 20 Prozent und der Spindel um 30 Prozent, was zu einer deutlichen Verbesserung der Oberflächengüte führte.

Der größte Vorteil war jedoch die um 18 Prozent höhere Schleifgeschwindigkeit. Allein durch das Auswuchten der Räder steigerte OSG die Jahresproduktion um fast 120.000 Werkzeuge.

Wenn man über das Werkzeugschleifen hinausgeht und sich nun dem Rund- und Flachschleifen zuwendet, wo die Scheiben größer und schwerer sind, wird das Auswuchten noch wichtiger. Wie Hooper erklärte, liegt die Rundlauftoleranz für fertige Schneidwerkzeuge in der Größenordnung von 15 µm, und „am besten liegt sie deutlich darunter für den Werkzeugrohling.“ Da die Außendurchmesser-Schleifscheiben, die zur Herstellung der Rohlinge verwendet werden, einen Durchmesser von 300 mm oder mehr haben und mit etwa 7.000 U/min laufen, „ist es absolut wichtig, dass Sie diese Scheibe in der Maschine auswuchten“, schloss Hooper.

Die beiden Marktführer bei eigenständigen Auswuchtmaschinen sind Haimer und MPM – letzteres wird in den USA durch Rollomatic, Rush Machinery und Toolroom Solutions vertreten. Während Haimer und MPM die gleiche beeindruckende Fähigkeit beanspruchen, Unwucht um 98 Prozent zu reduzieren und Qualitätsgrade bis zu G0,4 zu erreichen, verfolgen die Unternehmen unterschiedliche elektromechanische Ansätze.

Haimer verwendet „Hartlagertechnologie mit Zentrifugalkraftsensoren, die die Kraft messen, die auf die Spindel ausgeübt wird, während sich die Werkzeughalterbaugruppe dreht“, erklärte Holden. Im Gegensatz dazu verfügt MPM über eine weiche Lagerung, wodurch die Spindel etwas wackeln kann. Beschleunigungssensoren messen den Schwingweg, der durch die Drehung eines unwuchtigen Rotors entsteht, sagte Marx.

Laut Holden hat Haimers Ansatz zwei Vorteile. „Erstens können Sie die Maschine selbst kalibrieren. Es ist keine spezielle Werkzeugkalibrierung erforderlich“, erklärte er und wies darauf hin, dass sowohl Adapter als auch Werkzeugtypen gewechselt werden können, ohne dass eine Neukalibrierung erforderlich ist (es sei denn, die Maschine wird bewegt).

Zweitens wird die Maschine nicht durch Vibrationen von außen beeinflusst. „Es geht im wahrsten Sinne des Wortes nur darum, die auf die Spindel ausgeübten Rotationskräfte zu messen“, sagte Holden. „Sie erhalten wiederholbare, konsistente Ergebnisse.“

Die Haimer-Maschine ist eine 1.200 Pfund schwere Meehanite-Guss-Basiseinheit, erklärte Holden, wobei die Basis dem Guss ähnelt, der für eine Werkzeugmaschine verwendet wird.

Aus Sicht von MPM ist das ein Nachteil. Das System des Mitbewerbers kostet (bei gleichen Bedingungen) mehr und muss laut Marx mit einem Gabelstapler bewegt werden, während das MPM von Hand getragen und auf einer stabilen Bank neben einem Bearbeitungszentrum platziert werden kann. Mit anderen Worten, sagte er, funktioniert die MPM-Einheit auch bei Vibrationen in der Werkstatt gut. Während eine MPM-Maschine häufiger kalibriert werden sollte – beispielsweise zu Beginn einer Schicht oder beim Wechsel des Werkzeughaltertyps – sei dies ein schneller und einfacher Vorgang, sagte Marx.

Ein weiterer Vorteil des MPM-Ansatzes besteht darin, dass keine separate Auswuchtmaschine erforderlich ist. MPM bietet tragbare Systeme an, die an jeder Maschinenspindel angebracht und bei Bedarf zu einer anderen Maschine bewegt werden können. Solche Systeme werden routinemäßig auf Rundschleifmaschinen eingesetzt.

Im Sandvik-Coromant-Werk von Hooper verwenden die Reinecker-Schälschleifer ein Konkurrenzsystem von Elaso.

ANCA bietet für seine Werkzeugschleifmaschinen eine vergleichbare Option namens iBalance an. Laut Thomson Mathew, dem MX- und Softwareproduktmanager des Unternehmens, ist der Vorgang „sehr schnell“ und sollte nicht länger als fünf bis sechs Minuten dauern.

Aufgrund der Möglichkeit einer Unwucht sei es sinnvoll, die Schleifmaschine einzubeziehen, fügte Mathew hinzu und verwies auf alles von der Schleifspindel und der Mechanik der C-Achse bis hin zum „gesamten mechanischen Aspekt der Montage der Räder an der Spindel“.

„Das Gesamtsystem könnte eine gewisse Unwucht aufweisen, die man nicht erfassen würde, wenn man nur den Radsatz außerhalb der Maschine misst“, fuhr er fort. Das Auswuchten in der Maschine bietet auch die Möglichkeit, die Scheiben an bestimmten, kritischen Positionen im Schleifprozess zu überprüfen, sagte Mathew.

Manns entgegnete, dass es produktiver sei, Räder offline auszuwuchten und die Schleifmaschine die Werkzeuge zu überlassen.

Alle genannten Auswuchtsysteme umfassen Software, die dem Bediener sagt, wie er die Unwucht korrigieren kann, indem er an einer bestimmten Stelle Gewicht hinzufügt oder entfernt. Beispielsweise zeigt iBalance von ANCA dem Bediener, wo er eine beschwerte Schraube (oder mehrere) an der Spannmutter am Ende des Radadapters anbringen muss.

Dieser Ansatz wird üblicherweise bei Werkzeughaltern verwendet, die Gewindelöcher um den Flansch herum haben. Holden bezeichnete dies als „gut für schnelle und einfache Anpassungen. Die einzige Einschränkung besteht darin, dass Sie nicht viel Gewicht verdrängen müssen, sodass Sie ein großes Ungleichgewicht nicht korrigieren können.“ Es ist ideal für Schrumpffutterhalter, die keine beweglichen Teile haben und im Allgemeinen gut ausbalanciert sind, andere Spannfutter sind jedoch möglicherweise nicht geeignet.

Für härtere Herausforderungen bieten Haimer und andere elliptische Ringe an. Mit anderen Worten: Der Ring selbst ist unausgeglichen und der Auswuchtmechanismus sagt Ihnen, wohin Sie ihn drehen müssen, um der Unwucht der gesamten Baugruppe entgegenzuwirken. Die meisten Werkzeughalter bieten eine Oberfläche zur Befestigung solcher Ringe, aber das ist nicht immer der Fall, sagte Holden. MPM bietet eine Spannmutter mit beweglichen Gewichten an. Anstatt einen elliptischen Ring zu drehen, schieben Benutzer die Gewichte auf einer Schiene, um die Baugruppe ins Gleichgewicht zu bringen.

Wie bereits erwähnt, können größere Unwuchtgrade dadurch behoben werden, dass das Gewicht vom Werkzeughalter entfernt wird, entweder durch Bohren oder Fräsen. Idealerweise geschieht dies bei der Herstellung des Halters, es gibt jedoch Situationen, in denen die endgültige Werkzeugbaugruppe auf diese Weise ausbalanciert werden muss. Obwohl möglicherweise unterschiedliche Terminologien verwendet werden, deckt die Software, auf der die Haimer- und MPM-Maschinen laufen, dieselben Techniken ab.

Sollten Sie sich also ernsthaft mit dem Balancieren befassen? Holden sagte, dass er widerstrebenden potenziellen Kunden oft sagt, sie sollen ihn wegen ihrer heikelsten Anwendungen anrufen, wenn sie sich „die Haare ausreißen, weil sie alles versucht haben. Sie haben sich die Vorrichtung angeschaut. Sie haben die Spindel, die Maschine, Ich habe über die Vorschübe und die Geschwindigkeit nachgedacht, über alles nachgedacht, und sie fertigen immer noch keine guten Teile oder halten keine Zykluszeit ein. Ehrlich gesagt, in etwa 90 Prozent der Fälle erfolgt das Auswuchten.“

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