CFK minimieren thermische Verlagerungen im Hauptspindelsystem von Werkzeugmaschinen

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GGB Heilbronn GmbH

Schages GmbH & Co.KG

Fastems Systems GmbH

Institut für Werkzeugmaschinen u. Fabrikbetrieb d. TU Berlin

Die Auswahl geeigneter Werkstoffe für den Einsatz in thermischen Kompensationsstrukturen ist eingeschränkt durch die mechanischen Eigenschaften der zur Verfügung stehenden Materialien. Um thermische Verlagerungen in Spindelsystemen minimieren oder auszugleichen zu können, muss der thermisch hervorgerufenen Längenausdehnung, die vor allem in einem meist hohen, positiven Ausdehnungskoeffizient α des Spindel- beziehungsweise des Spindelgehäusewerkstoffs – in der Regel Aluminium oder Stahl – begründet ist, entgegengewirkt werden: Entweder wird teuer und aufwendig gekühlt, oder der Weg ist die Entwicklung von Gesamtstrukturen mit möglichst geringem oder negativem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (α ~0 μm/K).

UHM-Kohlenstofffasern in Duroplastmatrix aussichtsreich

Hierfür stehen grundsätzlich diverse Faserverbundsysteme (Carbon-, Aramidfaserverstärkte Kunststoffe) zur Verfügung. Aufgrund der starken Anisotropie dieser Werkstoffe tritt die für die Kompensation erwünschte negative thermischen Ausdehnung nur in Faserrichtung auf. Für den Ausgleich der Verlagerungen ist auch eine möglichst hohe Steifigkeit maßgebend, deshalb eignen sich vor allem ultrasteife – ultra-high-modulus (UHM) – Kohlenstofffasern für diese Anwendung. Als Matrixmaterial bieten duroplastische Systeme in Kombination mit UHM-Fasern das beste mechanische Verhalten.

Somit bilden neben den deutlich überlegenen (Zug-)Festigkeitswerten vor allem die entgegengesetzten thermischen Ausdehnungskoeffizienten der beteiligten Werkstoffe die Grundlage für die Kompensation thermischer Verlagerung mittels CFK-Elementen (Bild 1 – siehe Bildergalerie): In diesem Beispiel wird der positiven thermischen Ausdehnung des Spindelgehäusegrundkörpers aus Aluminium, eine Kontraktion des verwendeten CFK-Werkstoffs gegenübergestellt. Dieser Einsatz von CFK in Werkzeugmaschinen wird am IWF der TU Berlin seit den 90er Jahren untersucht [1 - 3].

CFK ermöglichen passiven Ausgleich durch optimierte Gesamtstruktur

Zur Verbesserung des thermischen Verhaltens von Spindeln (durch faserverstärkte Kunststoffe) wurden im Vorfeld Untersuchungen durchgeführt [1]. Es wurde festgestellt, dass die geeignete Auswahl und Orientierung der Fasern in modellhaften Spindelkastenlagerwänden eine deutliche Reduzierung der thermischen Verformungen ermöglicht. Die modellartigen Spindelkästen wurden konstruktiv so optimiert, dass geeignete Schnittstellen für die Anbindung der CFK-Struktur an das Maschinenbett und an die Spindellagerung entstanden. Das geschah mithilfe der Finite-Elemente-Methode.

In experimentellen Untersuchungen an einem Spindelkasten-Prototypen konnte nachgewiesen werden, dass die Optimierung der Gesamtstruktur tatsächlich zu einer Verringerung der thermischen Verlagerungen führt. Das neue Spindelkastenkonzept besteht aus einer erweiterten Struktur, bei der um die Lagerdoppelwände eine unidirektionale Bandage gewickelt ist. Zur Anbindungsverbesserung ist die Schnittstelle zum Maschinenbett in die CFK-Struktur integriert (Bild 2). D

ie thermische Verformung in der Wandebene wird aufgrund der viel höheren Steifigkeit der Bandage gegenüber der Lagerwand und des negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten behindert. Bei Erwärmung wird in der Lagerwand ein gezielter Eigenspannungszustand hervorgerufen, wodurch thermische Verlagerungen in X- und Y-Richtung verringert werden [2].

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