Auswuchten von Spindeln

Luftgelagerte Spindeln werden hauptsächlich eingesetzt, wenn höchste Präzision und/oder Drehzahlen von mehr als 100.000 U/min gefordert sind. Damit dies erreicht werden kann, muss der Rotor sehr gut ausgewuchtet sein. Für das Auswuchten der Rotoren hat sich AeroLas ein eigenes Know-how – bestehend aus der Hard- und Software mit eigens entwickelten Algorithmen - aufgebaut, das es auf diesem technischen Niveau im Markt sonst nicht gibt. So kann sichergestellt werden, dass die Spindeln die von den Kunden spezifizierten Anforderungen an Präzision und Laufruhe auch sicher erfüllen.

Der Rotor wird entweder direkt in der fertigen Spindel gewuchtet oder in einem Wuchtstand, bei dem dieser genauso gelagert wird wie in der Spindel selbst. Die Messung der Unwucht erfolgt entweder mittels Beschleunigungssensoren oder über hochgenaue Abstandssensoren, und wird für jeden Spindeltyp individuell angepasst. Dies ist notwendig, weil AeroLas unterschiedliche Spindeltypen fertigt, bei denen die Welle innen oder außen liegt (Abbildung 1).


Um aus der gemessenen Beschleunigung oder Auslenkung der Welle die Unwucht zu berechnen, wird ein selbstentwickeltes Modul verwendet. Dieses ist sehr flexibel in der Handhabung und kann so für jede Messung angepasst werden.

Abbildung 1: Beispiele für Spindeln, bei denen die Welle innen (Innenläufer, rechts) oder außen (Außenläufer, oben) liegt.

Auswuchten bei Nenndrehzahl

In der Literatur findet man meist die Unterscheidung zwischen statischer und dynamischer Unwucht. Eine statische Unwucht liegt vor, wenn der Schwerpunkt nicht auf der Drehachse liegt, diese aber parallel zur Schwerpunktsachse ist. In diesem Fall lässt sich der Rotor auswuchten, ohne dass man ihn rotieren lässt. Im Allgemeinen besitzen Rotoren zusätzlich eine dynamische Unwucht, d.h. die Drehachse entspricht nicht einer der Trägheitsachsen. In diesem Fall kann die Unwucht nur am rotierenden Teil bestimmt werden.

Die Unwucht steigt quadratisch mit der Drehzahl an. Deshalb erhöht sich die Sensitivität beim Messen der Unwucht mit der Drehzahl. Der Rotor wird bei AeroLas i.a. bei der Drehzahl ausgewuchtet, bei der er später in der Anwendung verwendet wird. Dazu wird mit einem eigens entwickelten Auswucht-Modul die Wuchtmatrix für die jeweilige Spindel bei der Nenndrehzahl bestimmt. Mit deren Hilfe kann anschließend die Unwucht quantitativ bestimmt und kompensiert werden.


Im Beispiel in Abbildung 2 ist das Ergebnis einer Auswuchtung bei einer Schleifspindel, welche mit 3.000 U/min betrieben wird, gezeigt. Bei der Spindel handelt es sich um einen Außenläufer. Deshalb kann die Unwucht nur indirekt über die Auslenkung der Welle mit Hilfe von berührungsfreien Abstandssensoren gemessen werden. Durch das Auswuchten konnte der Rundlauf vorne an der Spindel bei Nenndrehzahl von 20 µm auf unter 3 µm reduziert werden. Man erkennt zudem den starken Anstieg der Unwucht mit der Drehzahl.

Abbildung 2: Auswuchtung einer Spindel in zwei Ebenen für eine Drehzahl von 3000 U/min. Die Spindel ist einseitig festgehalten. Die Unwucht wird indirekt über die Auslenkung der Spindel bestimmt.

Auswuchten in 3 Ebenen

In der Regel wird ein Rotor nur in zwei Ebenen ausgewuchtet. Bei sehr hohen Drehzahlen kann es aber sein, dass dies nicht ausreicht, um die gewünschte Präzision zu erreichen. Der Grund ist, dass bei hohen Rotationsgeschwindigkeiten eine Biegemode des Rotors angeregt werden kann. Dadurch erhöht sich der Rundlauf am Werkzeug.

In Abbildung 3 ist eine Spindel gezeigt, welche bei 180.000 U/min betrieben wird. Bei dieser Spindel konnte durch eine zusätzlich Wuchtung der Welle in einer dritten Ebene (Abbildung 4) der Rundlauf am Werkzeug deutlich verbessert werden.


Die Welle wird zuerst in zwei Ebenen (Ebene 1 und 2) gewuchtet, um die beiden Starrkörperbewegungen - die translatorische und Kipp-Mode - weitestgehend zu eliminieren. Im nächsten Schritt wird dann in der 3. Ebene gewuchtet, um die Biegung der Welle zu minimieren. Die Auslenkung und somit die Biegung der Welle wird mit Hilfe eines kapazitiven Abstandssensors direkt am Werkzeug gemessen (Abbildung 5). Der Graph zeigt, dass der Rundlauf am Werkzeug durch das Wuchten in der 3. Ebene auf unter 1 µm (p-p) reduziert werden kann.

Abbildung 4: Welle einer Spindel für 180.000 U/min, eingezeichnet sind die 3 Wuchtebenen. Relevante Schwingungsmoden der Welle.

Abbildung 3: Spindel für Betrieb bei 180.000 U/min. Radial- und Axiallagerung der Welle und komplette Spindel

Abbildung 5: Messung des Rundlaufs am Werkzeug. Rundlauffehler vor und nach dem Wuchten in der 3. Ebene.