Drehdurchführungen

Fast alle Werkzeugmaschinen und Bearbeitungszentren (BAZ) sind mit Kühlschmiermittelzuführungen ausgestattet, da spanende Werkzeuge, die mit hoher Geschwindigkeit laufen, Kühlung und Schmierung benötigen, um Verschleiß zu reduzieren und Werkzeugschwächende Überhitzung zu vermeiden. Steigende Zerspanungsgeschwindigkeiten stellen immer höhere Anforderungen an alle Komponenten des Systems und die Aufgabe des Kühlschmierstoffs verschiebt sich in Richtung der Späneabfuhr.   Die "flutende" oder externe Kühlschmierstoffzuführung kann diese Aufgabe nicht effektiv erfüllen, stattdessen muss der Kühlschmierstoff durch die Spindel und das Werkzeug direkt zur Schneidkante geführt werden. Um dorthin zu gelangen, benötigt man eine Drehdurchführung als Nahtstelle zwischen Spindel und Kühlmittelzuführung. Verglichen mit der Außenkühlung macht sich die Kühlung durch die Spindel schnell bezahlt, da sie Betriebskosten für Werkstück und KSS reduziert. Bessere Temperierung des Werkzeugs führt zu höheren Zerspanungsgeschwindigkeiten, höherer Produktivität und besserer Oberflächengüte.   Wie Drehdurchführungen funktionieren
Drehdurchführungen sind mechanische Präzisionsbauteile zur Durchführung von KSS oder anderen Medien von einer stationären Quelle (z. B. Pumpe), in ein rotierendes Maschinenteil (z. B. Spindel mit Schneidwerkzeug). Typische wasserbasierende KSS bestehen aus rund 85-95% Wasser zur Kühlung und 2-12% Öl zur Schmierung der Schneidkante. Geringe Volumina anderer Chemikalien stabilisieren die Emulsion, hemmen bakterielles Wachstum uvm. Geeignete Drehdurchführungen können auch Luft/Ölnebel übertragen, bekannt als Minimalmengenschmierung (MMS), bzw. Schneidöle und Druckluft.                In bestimmten Anwendungen für Werkzeugmaschinen werden Drehdurchführungen zudem genutzt, um Hydrauliköl oder Druckluft zum Werkstückspannen bzw. zur Anlagenkontrolle zu verwenden.   Bestandteile einer Drehdurchführung
Eine typische Drehdurchführung besteht aus einem Rotor, der mit gleicher Drehzahl läuft wie die Spindel der Werkzeugmaschine; einem Stator, der präzise gegen den Rotor abdichtet; einem Gehäuse, das die Versorgungsleitung mit dem Stator verbindet und den Gleitringen, die die dynamische Abdichtung übernehmen.                                                                                        Lagergetragene Drehdurchführungen verbinden den Rotor mit dem Gehäuse über ein oder mehrere Lager. Lagerlose Drehdurchführungen haben namentlich keine eigenen Lager, sondern stützen sich auf die Lager der Spindel.              Die Gleitringe sind das Herzstück einer Drehdurchführung. Sie müssen sehr hohen Drücken standhalten, während sie mit hohen Geschwindigkeiten drehen. So bewegen sich die Gleitringe z. B. bei 20.000 min-1, mit einer hohen Relativ-Geschwindigkeit von 5 m/s und halten gleichzeitig von 140 bis zu 200 bar Flüssigkeitsdruck stand.
Für gute Abdichtung, leichten Lauf und lange Lebensdauer ist es wichtig, Gleitringpaarungen aus hochverschleißfesten Materialien zu fertigen und diese mit möglichst geringer Oberflächenrauheit aufeinander laufen zu lassen. Hinzu kommt, dass eine zeitgemäße Drehdurchführung die Gleitringe nicht mit dem Mediendruck aufeinander presst, sondern dem Konstruktionsprinzip "druckentlastete mechanische Dichtung" folgt, bei dem der Dichtflächendruck unabhängig vom Mediendruck bleibt.   Drehdurchführung mit Lager oder lagerlos?
Drehdurchführungen mit eigener Lagerung sind, weil aus einem Element bestehend, leicht zu installieren und zu wechseln. Man unterscheidet zwei verschiedene Anbindungsarten. Die rotorgetragene Drehdurchführung wird mittels Gewinderotor mit der Spindel verbunden. Die gehäusegetragene Drehdurchführung passt genau in ihre Gegenbohrung am Ende der Spindel aufnahme. Vorteil dieser Bauarten ist die Abführung jeglicher Leckage über das eigene Gehäuse und den Leckageanschluss. Weiterer Vorteil von rotorgetragenen Drehdurchführungen mit eigener Lagerung ist die Absorbierung aller Axialkräfte (Schublast), die durch den Kühlmitteldruck auf die Spindel wirken. Gehäusegetragene wie lagerlose Drehdurchführungen verursachen durch den Kühlmitteldruck eine gewisse Axialkraft auf die Spindel. Lagerlose Drehdurchführungen bieten dem Werkzeugmaschinenkonstrukteur einige Vorteile. Als erstes erhöht der Verzicht auf eigene Lagerung die zulässige maximale Drehzahl. Zum Zweiten kann das Gehäuse der Drehdurchführung nicht Quelle von Vibrationen sein, weil nur ein kleiner Rotor direkt mit der Spindel verbunden ist. Drittens ist die lagerlose Drehdurchführung unempfindlich gegen seitliche Belastung, z. B. durch zu hohe Kräfte im Versorgungsschlauch. Viertens können lagerlose Drehdurchführungen sehr klein sein, was für Anwendungen mit mehreren eng stehenden Spindeln ideal ist. Allerdings müssen lagerlose Drehdurchführungen als zwei Teile installiert werden - der Rotor und ein kleines Gehäuse, das den Stator sowie den Anschluss an die Kühlmittelzufuhr enthält.   Egal, ob die Drehdurchführung mit eigener Lagerung oder lagerlos, Drehdurchführungen sind trotz ihrer Hochtechnologie Verschleißteile, weil eine Restreibung zwischen den Dichtflächen schlicht verbleibt (absolut keine Oberflächenrauheit ist technisch unmöglich) Irgendwann wird ergo auch ein Qualitätsbauteil sein technisch bedingtes Lebensende erreichen.
Um die technisch machbare Lebensdauer in der täglichen Praxis zu erlangen, sollten auch die Rahmenbedingungen stimmen.   Zum einen die Lage der Leckageleitungen:
Im Bereich der Werkzeugmaschinen und Bearbeitungszentren zeigt sich, dass die "gemischte Bearbeitung" zunimmt: Kühlmitteleinsatz, Trockenbearbeitung, Druckluft im Stillstand oder in Rotation, Minimalmengenschmierung.
Nicht immer treten diese Anforderungen in der Kombination auf, aber es stehen die geeigneten Produkte bei Deublin zur Verfügung.
Für diese Bearbeitungen geeignete Drehdurchführungen wie POP-OFF, AutoSense oder "All-Media" Varianten, trennen die Dichtflächen, wenn kein Mediendruck anliegt bzw. stellen die Dichtflächen medienkonform ein. "Drucklos" geht logischerweise der Werkzeugwechsel von statten und da in diesem Moment die Gleitringe getrennt werden, ist der Ablauf von Kühlmittel aus Versorgungsleitung und Spindel durch die geöffneten Dichtflächen die Konsequenz.
Diese Leckagen, als auch Leckage durch Verschleiß, werden über die Leckageleitung abgeführt.
Da das Gesetz der Schwerkraft auch bei Drehdurchführungen gilt, sollten Leckageleitungen stetig abwärts zeigen, um Leckage sicher abzuführen. Eigentlich eine Selbstverständlichkeit, doch es sind schon Einbaulagen mit teilweise oder stetig aufwärts zeigender Leckageleitung bekannt geworden. Die große Gefahr bei diesem Falschanschluss ist, dass durch stehende Leckagemengen die Lager geflutet werden oder sich Verunreinigungen im Medium bei Stillstand absetzen und im Inneren der Drehdurchführung anlagern können. Vermeidet man diese Fehler, dankt es einem die Drehdurchführung mit höherer Standzeit.   Zum zweiten die Pflege des Kühlschmiermittels:
Qualitativ hochwertige Drehdurchführungen sind so ausgelegt, dass sie verschiedenen Verunreinigungen in Kühlschmiermitteln, die in den meisten Fertigungsstätten vorkommen, weitestgehend widerstehen. Um eine lange Standzeit und maximale Produktivität der Drehdurchführung zu erreichen, sollte das Kühlmittel nach ISO 4406:1999 Code 17/15/12, SAE 749 Klasse 5, oder NAS 1638 Klasse 8 gefiltert sein, maximale Partikelgröße 60µ.
Zum Vergleich: Pumpen (sowohl Festkolben als auch variables Volumen) benötigen typischerweise Kühlmittelfiltration nach ISO 4406, Code 16/14/11 oder besser - in anderen Worten: sie vertragen nur halb so viel Kontamination. Für die Kühlmittelzubereitung sollte nur destilliertes Wasser verwendet werden. Kalzium- und Magnesiumsalze im Leitungswasser verkürzen die Lebensdauer von Kühlschmierstoffen durch Verdrängung der Chemikalien im Kühlmittel, Aufbrechen der Öl-Wasser-Emulsion. Außerdem leisten sie bakteriellem Wachstum Vorschub. Diese Salze können ebenso Ablagerungen im Inneren der Drehdurchführung verursachen, was zu vorzeitigem Ausfall führen kann. Als Daumenregel gilt, dass jeder zusätzliche Härtegrad (äquivalent zu 17 ppm oder 17 mg/l Kalzium-Karbonat) den jährlichen Kühlmittelverbrauch um 1% anhebt. Adäquate Kühlschmiermittelpflege verlängert außerdem die Standzeit der Werkzeuge und verbessert die Oberflächenqualität der Werkstücke.
Es sei an dieser Stelle betont, dass die Pflege des Kühlschmiermittels NICHT Betriebsvoraussetzung für Drehdurchführungen ist - der Anwender nimmt jedoch die kürzere Lebensdauer der Komponente in Kauf.
Wie die Studie eines renommierten Fahrzeugherstellers zeigt, wurden "die Drehdurchführungen" bzw. deren Ausfall als "häufigste" Ursache für den Ausfall einer Motorspindel in den verschiedenen Werken angenommen (Spindelflutung/Lagerschaden). Nachdem ausgeschlossen werden konnte, dass ein Chargenproblem vorlag, begab man sich auf die Suche nach dem wahren Primärgrund für den vorzeitigen Ausfall von Drehdurchführungen und fand heraus, dass die Filtration des Kühlschmiermittels bei den betreffenden Bearbeitungszentren außer Funktion war. Somit konnten Späne zwischen die Dichtflächen der Drehdurchführung gelangen und diese über die Abrasionskräfte zerstören. Der Ausfall der Drehdurchführung war also nur mittelbarer Grund oder das erkennbare Symptom für den Stillstand des Bearbeitungszentrums. Nach Austausch der Filter und Überprüfung/Überwachung der KSS-Filtration zeigte sich, dass die Drehdurchführungen ihre technisch erwartete Standzeit erreichten und vielfach überschritten. Parallel sanken die Reparaturkosten für ausgefallene Motorspindeln um ca. 75%.
Der oben erfasste Kostenansatz berücksichtigt dabei nur die Veränderung in den Reparaturkosten, die Kosten des Maschinenstillstandes wurden bislang nicht berücksichtigt.   Betrachtung der Kosten eines Maschinenstillstandes
Neben dem Ausfall einer Drehdurchführung durch Spaneintrag wie vor beschrieben, kann es durch Magnetventilausfall, Probleme mit Hydraulikpumpe und Lineargetrieben, bei fehlerhaften Signalgebern oder Steuerungssignalen zu Maschinenstillstand kommen.
Allen Gründen gemein ist, dass sie erhebliche Kosten nach sich ziehen, wobei Aufwendungen für Personal, Maschine und die Produktion betroffen sind (siehe Abbildung 9). Zum Vergleich: vor rund 15 Jahren beliefen sich die Schätzwerte für den Stillstand einer CNC-Maschine auf  200,00 Euro bis 600,00 Euro pro Stunde.
Durch den umfassenden Einzug der Lean-Produktion und den resultierenden weit höheren Interdependenzen beginnen diese Kosten nun bei 2.000,00 Euro bis 4.000,00 Euro, Tendenz steigend. Und, falls andere Prozesse dadurch beeinflusst sind, können diese Kosten auf über  100.000,00 Euro pro Stunde heraufschnellen.
Man prüfe die Auswirkungen in der eigenen Fertigung selbst, doch lässt sich unschwer voraussagen, dass eine Total-Cost-of-Ownership-Betrachtung, die diese Kosten berücksichtigt, nur zu einem Schluss kommt: Der Bezug von hochwertigen Komponenten, der korrekte Einbau und die Pflege des Kühlschmierstoffes mögen zu Beginn geringe Kostentreiber sein, aber sie bringen massive Kostenvorteile über die Gesamtlaufzeit.