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

Aufgrund der unterschiedlich starken Ausdehnung respektive Kontraktion der beteiligten Werkstoffe ist eine komplette passive Kompensation der thermischen Ausdehnung der Spindel beziehungsweise des Spindelgehäuses durch entgegengesetzte thermische Ausdehnung, ohne Eingriff von außen, nicht möglich. Aluminium besitzt bei Raumtemperatur mit rund α = 23 μm/mK beispielsweise einen vielfach höheren Ausdehnungskoeffizienten als die verwendeten carbonfaserverstärkten Ausgleichsmodule mit nur rund -1,3 μm/mK.

CFK-Bandagen minimieren radiale Verlagerungen

Das für die thermisch bedingte Kompensation wirkende Temperaturniveau im CFK muss somit deutlich höher als die Temperaturen im Aluminium sein. Aus diesem Grund wurde der steifigkeitsbedingte, elastische Kompensationseffekt durch den Einsatz von Heiz- sowie Peltierelementen verstärkt.

Beheizte Kompensationsmodule wurden entwickelt und erprobt. Die Wirkungsweise ist in Bild 3 dargestellt ist [3, 4]. Die Minimierung von radialen Verlagerungen erfolgt durch CFK-Bandagen, die um das Spindelgehäuse gewickelt sind (Bild 3, links). Thermische Inhomogenitäten, welche entlang der Z-Achse des Spindelgehäuses auftreten, verursachen ebenfalls lokale radiale Ausdehnungen, die Winkelverlagerung um die X-Achse verursachen.

Effektverstärkung durch aktive Heizstrategie möglich

Aufgrund des Einbaus der Bandagen in Nuten des Spindelgehäuses resultiert eine autonome angepasste Kompensation durch die passive Erwärmung der CFK-Bandagen über das Gehäuse, die zusätzlich durch, im Außenbereich der Bandage, eingebrachte Heizdrähte verstärkt wird.

Außerdem wurden linear wirkende CFK-Zugmodule entwickelt, die eine achsunabhängige, auf lokale Temperaturinhomogenitäten reagierende Kompensation ermöglichen (Bild 3, rechts). Durch die gezielte Aktivierung der CFK-Zugelemente wird ein Biegemoment erzeugt, das dem thermisch bedingten Biegemoment entgegenwirkt. Die Heizung der CFK-Bandagen geschieht durch Konstantan-Widerstandsdrähte und im Falle der CFK-Zugstäbe wurden Peltierelemente gewählt.

Adaptronisches Konzept kompensiert Winkelverlagerung

Durch die Verwendung von Peltierelementen zum Aufheizen der CFK-Zugstäbe wird durch die Kühlwirkung der gehäuseseitig angeordneten kalten Seite, die ursächliche höhere Temperatur in diesem Gehäusebereich zusätzlich verringert. Zur gezielten Erwärmung der unidirektionalen CFK-Module wird eine adaptronische Sensor-Aktor-Kopplung verwendet, die in Abhängigkeit von Temperatur- und Verlagerungsmessdaten die Wärme am Spindelgehäuse in die CFK-Module einleitet und so eine Kontraktion auslöst.

Unter idealen Bedingungen können die radialen Verlagerungen und die Biegungen des Spindelgehäuses deutlich reduziert werden. Das führt zu einer verringerten Winkelverlagerungen am Werkzeugmittelpunkt um die X-Achse in Abhängigkeit des Lagerabstandes. Die Verringerung der thermischen Biegungen des Spindelgehäuses führt ergänzend zu einer reduzierten Winkelverlagerungen um die X- und Y- Achse. Diese Effekte haben unmittelbaren, posititven Einfluss auf die geforderte Arbeitsgenauigkeit der Werkzeugmaschine.

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