CFK minimieren thermische Verlagerungen im Hauptspindelsystem von Werkzeugmaschinen

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Fastems Systems GmbH

Institut für Werkzeugmaschinen u. Fabrikbetrieb d. TU Berlin

Demonstrator mit vereinter Kompensationsleistung der CFK-Bandagen

Für die Erprobung des gesamten Kompensationskonzepts wurde ein Demonstrator entwickelt, der alle Kompensationsmodule in einem Aufbau vereint (Bild 4) [5]. Vergleichende Messungen der Wirkung der CFK-Bandagen ergaben einen Rückgang der absoluten Verlagerungen am Demonstrator mit Außenradius r = 50 mm um etwa Dl = 9 µm bis Dl = 13 µm – Im Fall passiver Heizung der CFK-Bandage durch die Verlustwärme im Gehäuse. Durch die zusätzliche Erwärmung der CFK-Bandagen konnte ein Rückgang der Verlagerung um etwa Dl = 15 µm – das sind etwa 76% – erreicht werden.

Nachdem die Wirksamkeit der radialen Verlagerungskompensation durch die CFK-Bandagen nachgewiesen werden konnte, erfolgte die Einbindung aller Kompensationsmodule in eine gemeinsame Reglerumgebung. Es folgten vergleichende Messungen am Spindelgehäuse ohne Kompensationsmodule sowie mit aktiv geregelten Kompensationsmodulen. Die eingebrachte Verlustleistung entsprach in allen Fällen PVerl = 55 W.

Die Messergebnisse aus dem Vergleich sind in Bild 5 und Bild 6 zu sehen und zeigen den Rückgang der entstehenden Winkelverlagerungen ausgedrückt durch den Abstand der Sensormesswerte untereinander. Von einem Wert von Δlmax = 11 µm verringert sich dieser auf Δlmax = 5 µm im geregelten Betrieb. Zudem wird ein Rückgang der absolut gemessenen Verlagerungswerte um bis zu 66% erzielt. Hier zeigt sich neben dem Kühleffekt der Peltierelemente vor allem die Wirkung der Kontraktionskräfte der CFK-Zugelemente.

CFK-Kompensatoren eröffnen neue Möglichkeiten

Der Einsatz von CFK in passiven und aktiven Kompensationsstrukturen für thermische Verlagerungen ist als innovative und vielversprechende Möglichkeit anzusehen, den hoch instationären Wärmekollektiven in komplexen Zerspanprozessen entgegenzuwirken. Wie die Ergebnisse der Analysen am Beispiel einer Frässpindel zeigen, können allein durch passive Kompensationsstrukturen erhebliche Verbesserungen hinsichtlich der Genauigkeit im Prozess erzielt werden. In Verbindung mit adaptronischen Systemen, in denen CFK ebenfalls Anwendung finden kann, ist eine weitere Verbesserung der Genauigkeit möglich.

Die am IWF entwickelten CFK-Kompensationsmodule stellen einen vielversprechenden Ansatz dar, wie das thermische Verhalten von Werkzeugmaschinen hinsichtlich der Stabilität durch CFK verbessert werden kann: Ein weiteres Einsatzfeld neben der klassischen Anwendung im Leichtbau. Durch die geringen Anforderungen an die Leistungselektronik ist diese Form der Kompensation dabei weitaus wirtschaftlicher und flexibler realisieren als eine Kühlung der einzelnen Baugruppen. Auf Grund der kleinen Stellwege und möglichen Genauigkeitssteigerungen ist der Einsatz selbsttätig wirkender Kompensationsaktorik aus kohlefaserverstärkten Kunststoffen zunächst im Bereich der HP- und UP-Maschinen denkbar.

Literatur:

• [1] Liebetrau, M.: Thermische Stabilisierung von Werkzeugmaschinen- Spindelkästen durch Carbonfaserverbundkunststoffe. In: Spur, G. (Hrsg.): Berichte aus dem Produktionstechnischen Zentrum Berlin. Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart, 1997.

• [2] Spur, G.; Uhlmann, E.: Reduzierung thermisch bedingter Verformungen von Werkzeugmaschinen-Spindelkästen durch Einsatz von Hochleistungsfaserverbundkunststoff. Abschlußbericht zum Vorhaben DFG Sp 84/158-2, Berlin, 2001.

• [3] Mette, U.: Werkstückspannsysteme aus faserverstärkten Kunststoffen für die Hochgeschwindigkeitsdrehbearbeitung. In: Uhlmann, E. (Hrsg.): Berichte aus dem Produktionstechnischen Zentrum Berlin. Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart, 2000.

• [4] Uhlmann, E.; Marcks, P.: Adaptronische und steuerungstechnische Kompensation thermischer Verlagerungen an Werkzeugmaschinenspindeln. Futur 3 (2006).

• [5] Uhlmann, E.; Marcks, P.: Application of CFRP-Structures for Compensation of Thermal Strains at Machine Tools. CIRP Paris January Meetings, Paris, France, 22.01.2010.

* Prof. Dr. h. c. Dr.-Ing. Eckart Uhlmann ist Leiter des Instituts für Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik des IWF an der Technischen Universität Berlin. Dipl.-Ing. Philipp Marcks war wissenschaftlicher Mitarbeiter am IWF und ist bei der Volkswagen AG in Wolfsburg beschäftigt

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