Spanende Fertigung

Wie ein Fels in der Brandung

28.09.2006 | Autor / Redakteur: Süleyman Güney /

Einfluss der Aufstellelemente auf das dynamische Verhalten von Werkzeugmaschinen.

Werkzeugmaschinen werden heutzutage aus Kosten- und Flexibilitätsgründen zunehmend in Leichtbauweise hergestellt. Solche Maschinen sind anfälliger gegen Schwingungen. Einerseits entstehen Biege- und Torsionseigenformen dieser Maschinen bei tieferen Eigenfrequenzen und andererseits wird der Betriebsdrehzahlbereich aus Produktivitätsgründen immer mehr erweitert. Bei Übereinstimmung der Eigenfrequenz mit der Erregerfrequenz können Resonanzschwingungen hervorgerufen werden. Die Maschinenbetten und deren Teile verformen sich während der Bearbeitung eines Werkstückes elastisch. Wird die Bearbeitungsstufe verändert oder abgeschlossen, dann schwingt die Maschine aus. Dadurch entstehen Massenkräfte, die nach außen gehen. Darüber hinaus müssen aus Gründen des Produktionsflusses in der Praxis häufig Feinbearbeitungsmaschinen in Produktionslinien integriert werden. Die auftretenden Frequenzen stören oftmals den Produktionsprozess beziehungsweise die Genauigkeit der Maschinen und müssen deshalb durch geeignete Aufstellelemente wirksam reduziert werden. Zur Reduzierung der Schwingungen infolge Fußpunkterregung (Empfängerisolation) oder zur Reduzierung der von der Maschine ausgehenden Kräfte (Quellenisolation) wird die Maschine auf elastischen und dämpfenden Elementen gelagert. In der Praxis ist eine Schwingungsisolation so ausgelegt, dass die Maschine entweder durch eine bestimmte Erregerkraft oder durch eine bestimmte Bodenschwingung von außen angeregt wird. Tatsächlich treten jedoch beide Erregungsarten gleichzeitig auf. Deshalb stellt sich die Frage, inwieweit die Art der Erregung bei der Dimensionierung der Schwingungsisolation zugrunde gelegt werden kann und wann beide Erregungsarten betrachtet werden müssen. Ferner wird bei der Dimensionierung einer Schwingungsisolation vereinfachend angenommen, dass eine Maschine ein starrer Körper ist. Unter Berücksichtigung der dynamischen Eigenschaften kann eine Maschine auf speziellen Elementen so gelagert werden, dass außer der gewünschten Schwingungsisolation das dynamische Verhalten der Maschine vorteilhaft beeinflusst wird, mit dem Ziel, das Eigenschwingverhalten der Maschine deutlich zu verbessern. Die dafür speziell ausgelegten Elemente wirken global auf ein schwingungsfähiges System. Durch die richtigen Lagerungselemente kann das dynamische Verhalten beruhigt werden. Schwingungselemente reduzieren die AmplitudenObwohl die Resonanzstellen bei höheren Frequenzen als die Lagerungseigenfrequenz liegen, können die Amplituden durch die richtig ausgewählten Isoloc-Elemente erheblich reduziert werden. In Bild 1 ist der Zeitverlauf eines Schwingers mit drei Freiheitsgraden in Abhängigkeit der Parameter der Aufstellung dargestellt. Bei einer geringeren Dämpfung ist eine deutlich längere Zeit erforderlich, in der die Schwingungen abklingen. Die Maschinenstruktur hat zwei elastische Eigenfrequenzen beziehungsweise Eigenformen. Die erste Eigenfrequenz gehört beispielsweise zum Werkzeug und die zweite zum Werkstück. Die vertikale Bewegung der Maschine auf den Lagerungselementen bildet den ersten Freiheitsgrad, der dann mit den zwei verschiedenen elastischen Bewegungen der Maschinenstruktur gekoppelt ist, so dass das Ersatzsystem insgesamt drei Freiheitsgrade hat. Die Dämpfung wurde dadurch erreicht, dass der Dämpfungsgrad der Lagerungselemente angehoben wurde. Das Amplitudenspektrum der Schwinggeschwindigkeit des Ersatzsystems in Abhängigkeit des Dämpfungsgrades der Lagerungselemente zeigt Bild 2. Die vertikale Eigenfrequenz der Lagerungselemente unter der vorhandenen Druckbeanspruchung beträgt 40 Hz, wobei die Lagerungselemente mit einem starren Körper belastet sind. Wie ersichtlich ist, hat die Maschine jedoch zwei Eigenfrequenzen. Die Eigenfrequenz des Werkzeuges liegt bei 45 Hz, während die Eigenfrequenz des Werkstückes 50 Hz beträgt, wenn man diese Eigenfrequenzen jeweils mit einem Ausschwingversuch ermittelt.Dämpfende Elemente verschieben EigenfrequenzenWird die betreffende Maschine auf den elastischen und dämpfenden Elementen gelagert und das Werkzeug mit dem Werkstück vorgespannt - wobei die Maschine nicht in Betrieb ist - werden die Eigenfrequenzen des gekoppelten Systems verschoben. Die Eigenfrequenzen betragen dann f01 = 30 Hz (vertikale Starrkörperbewegung der Maschine auf den elastischen und dämpfenden Elementen. Durch die Kopplung ist die Eigenfrequenz der elastischen und dämpfenden Elemente nach unten verschoben), f02 = 45 Hz (Biegung des Werkzeuges. Die Eigenfrequenz des Werkzeuges hat sich nicht geändert) sowie f03 = 68 Hz (Biegung oder Kippen des Werkstückes. Die Eigenfrequenz des Werkstückes ist durch die Kopplung nach oben verschoben). Die Amplituden der Schwinggeschwindigkeit der gesamten Maschine (erste Resonanzstelle in Bild 4) wurden mit zunehmendem Dämpfungsgrad erheblich reduziert. Bei einer Erhöhung des Dämpfungsgrades der Isoloc-Elemente (Lagerungselemente) um 8% werden die Amplituden mehr als 3-fach reduziert. Haben die Elemente einen Dämpfungsgrad von 20%, dann werden die Amplituden der gesamten Maschine etwa 6-fach reduziert. Jedoch wurde zur Berechnung der größten Amplituden der elastisch und dämpfend aufgestellten Maschine ein Dämpfungsgrad von 2% zugrunde gelegt.Entscheidend ist die Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug. Durch Verwendung der optimal ausgelegten Elemente wird diese Relativbewegung kleiner (Bild 3). Jedoch können die Amplituden der Relativbewegungen bei einer ungünstigen Parameterkombination verstärkt werden. In Bild 4 sind die Amplitudenspektren der gemessenen Beschleunigungen an der Pinole einer Maschine ohne und mit elastischer und dämpfender Lagerung dargestellt. Durch die Dämpfung der Lagerungselemente werden die Amplituden in der Umgebung der Resonanzfrequenzen hervorragend reduziert.Weil durch die Erhöhung der Dämpfung die dynamische Stabilität beispielsweise einer Fräsmaschine erheblich verbessert wird, kann diese Maschine mit höheren Beschleunigungen betrieben werden. Mit optimal ausgelegten Isoloc-Elementen (bei führenden Werkzeugmaschinenfabriken sind diese Systeme in der Praxis erprobt) können die folgenden Verbesserungen bei einer Werkzeugmaschine erreicht werden:- Verbesserung des dynamischen Verhaltens der Werkzeugmaschinen,- Erhöhung des KV-Faktors, ein erhöhter KV-Faktor bedeutet Verbesserung der Qualität und Erhöhung der Produktivität,- Verbesserung der Oberflächenqualität, - Produktivitätsverbesserung und damit verbunden höhere Wirtschaftlichkeit.In der Praxis hat sich diese Technik inzwischen hervorragend bewährt, insbesondere auch bei härtesten Anforderungen hinsichtlich Produktqualität und Leistungsfähigkeit der damit optimierten Maschine. Die Produktivität wurde wesentlich verbessert.Versuche haben ergeben, dass der KV-Wert 3-fach erhöht wurde. Mit den auf dem Markt befindlichen, üblichen Nivellierschuhen herkömmlicher Bauart konnte nur ein KV-Wert von maximal 0,9 erreicht werden. Dieser Technik liegen wissenschaftliche Forschungen zugrunde, ebenso Schutzrechte hinsichtlich der Präzisionsnivellierung der Maschinen, verbunden mit der gleichzeitigen Möglichkeit der freien Aufstellung. Die Verletzung der Böden durch das Anbohren und Setzen von Steinschrauben ist nicht mehr nötig. Der Maschinenpark bleibt mobil. Dies sind auch wesentliche Voraussetzungen für eine moderne Produktion.