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Werkzeugmaschinen Die Werkzeugmaschine gezielt verbessern

| Autor / Redakteur: Christian Brecher und andere / Mag. Victoria Sonnenberg

Indem das statische und dynamische Verhalten von Werkzeug­maschinenstatische und dynamische Verhalten von Werkzeug­maschinenstatische und dynamische Verhalten von Werkzeug­maschinen beurteilt wird, können Werkzeugmaschinen­hersteller gezielt dabei unterstützt werden, das volle Potenzial ihrer Maschinenkonstruktion auszuschöpfen.

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Bild 1: Auf dem Weg zur dynamisch stabilen Maschine.
Bild 1: Auf dem Weg zur dynamisch stabilen Maschine.
(Bild: WZL)

Werkzeugmaschinen müssen vielfältige Anforderungen erfüllen. Aus Anwendersicht sind beispielsweise eine hohe Produktivität und Zuverlässigkeit entscheidend. Für den Werkzeugmaschinenhersteller bedeutet dies unter anderem, möglichst effiziente Prozessparameter, zum Beispiel hohe Zustellung und Vorschub, bei stabilen Prozessen zu ermöglichen. Instabile Prozesse können sich in Form von Schwingungserscheinungen (Rattern) bemerkbar machen, wenn die Steifigkeiten der Maschinenstruktur sowie der Maschinenelemente nicht ausreichend sind.

Aus diesem Grund werden hohe statische und dynamische Steifigkeiten der Gesamtmaschine gefordert, da durch instabile Prozesse die theoretisch vorhandene Leistungsfähigkeit einer Werkzeugmaschine nicht ausgenutzt werden kann [1].

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Das WZL der RWTH Aachen bietet messtechnische Untersuchungen sowohl der Prozesse als auch der Maschinen an, um Schwingungsprobleme objektiv zu bewerten und das Maschinenverhalten zu charakterisieren. Dabei werden statische Kennlinien, dynamische Nachgiebigkeitsfrequenzgänge, Schwingungsformen und Vibrationen im Prozess aufgezeichnet. Durch diese Untersuchungen können instabile Prozesse erkannt und die strukturmechanischen Ursachen eingegrenzt werden.

Um das strukturmechanische Verhalten einer Werkzeugmaschine im Detail analysieren und optimieren zu können, bietet das WZL Simulationen der Maschinenstruktur mittels der Finite-Elemente-Methode (FEM) an. Durch eine FE-Modellierung und den Abgleich mit Messwerten kann die Struktur der Werkzeugmaschine detailliert analysiert und virtuell optimiert werden. Die so ermittelten strukturellen Verbesserungen können im nächsten Schritt konstruktiv umgesetzt werden. Zuletzt können die umgesetzten konstruktiven Änderungen durch erneute Prozessuntersuchungen bewertet werden. Dieses ganzheitliche Vorgehen wird im Folgenden anhand des Beispiels einer Sondermaschine des Unternehmens Wema Vogtland Technology GmbH dargestellt.

Wema Vogtland mit Sitz in Plauen/Vogtland ist ein führender Anbieter im Bereich Umbau und Überholung von Werkzeugmaschinen aller Fabrikate. Darüber hinaus agiert das Unternehmen als Werkzeugmaschinenhersteller, insbesondere von Sonderlösungen. Eine solche Sondermaschine, welche in eine Fertigungsstraße mit vollautomatischer Werkstückübergabe integriert ist, dient beispielsweise zur Fräsbearbeitung von kundenspezifischen Werkstücken. Der Aufbau der Maschine ist links in Bild 2 dargestellt. Grundsätzlich besteht die Maschine aus einem zweigeteilten Bett (Seiten- und Mitteneinheit), der Fräseinheit und einem Werkstückhalter (im Bild nicht abgebildet). Die Fräseinheit mit der Hauptspindel und der Werkzeugaufnahme kann horizontal in X- und Z-Richtung verfahren. Die Mitteneinheit verfügt über eine Anbindungsplatte, auf der der Werkstückhalter zur Aufnahme der Werkstücke montiert wird.

Vermessung mehrerer Prozesse mit verschiedenen Parametern

Bei einem Prototyp dieser Maschine zeigten manche Prozesse instabiles Verhalten. Um die Prozesse besser beurteilen zu können, hat das WZL Schwingungsmessungen während der Bearbeitung durchgeführt. Es wurden mehrere Prozesse mit verschiedenen Prozessparametern vermessen, wobei nicht nur instabile, sondern auch stabile Prozesse erfasst wurden, um Vergleichsmessungen für die Auswertung zu erhalten.

Die Auswertung der Beschleunigungssignale erfolgt bei Prozessbewertungen im Frequenzbereich. Bei einer stabilen Bearbeitung dominieren die Zahneingriffsfrequenz und ihre Harmonischen. Bei einer instabilen Bearbeitung aufgrund von selbsterregten Schwingungen hingegen treten einzelne Resonanzfrequenzen ausgeprägt hervor, die die Zahneingriffsfrequenz in ihrer Amplitude deutlich übertreffen. Für die untersuchten instabilen Prozesse der Maschine konnten Ratterfrequenzen bei 30, 35 und 55 Hz identifiziert werden, wie in Bild 2 rechts zu erkennen ist.

Um die Ursachen der instabilen Prozesse herauszufinden, wurden daraufhin Messungen an der Maschine durchgeführt. Zur Charakterisierung des statischen Maschinenverhaltens wurden zuerst statische Kennlinien aufgenommen, mit denen sich sowohl die statische Steifigkeit der Maschine als auch eventuell vorhandene Nichtlinearitäten in Form von Spiel (zum Beispiel in Führungen und Lagern) erkennen lassen [1]. Die vorliegende Maschine weist ein nahezu lineares statisches Verformungsverhalten auf und kann aufgrund einer geringen Hysterese zwischen Be- und Entlastung als spielfrei und reibungsarm angesehen werden. Damit ist eine wichtige Voraussetzung für die messtechnische Auswertbarkeit des dynamischen Nachgiebigkeitsverhaltens und der Modalanalyse gegeben.

Für die Untersuchung und Beurteilung des dynamischen Maschinenverhaltens werden Nachgiebigkeitsfrequenzgänge der Maschine genutzt. Diese werden durch Division der dynamischen Verlagerung und der dafür ursächlichen dynamischen Kraft im Frequenzbereich berechnet und als komplexe Zahl über der anregenden Frequenz ermittelt [2, 3]. In Bild 3 sind die Amplituden verschiedener Frequenzgänge dargestellt. Anhand der Resonanzspitzen im Nachgiebigkeitsfrequenzgang werden die Eigenfrequenzen ermittelt. Gut zu erkennen ist die Übereinstimmung der ersten drei Eigenfrequenzen mit den ermittelten Ratterfrequenzen aus den Bearbeitungsversuchen.

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