Die Werkzeugmaschine gezielt verbessern

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Werkzeugmaschinenlabor WZL RWTH Aachen

Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen

Verbesserungsvorschläge erarbeiten und den Erfolg der Maßnahmen validieren

Anhand der Simulationsergebnisse des abgeglichenen Gesamtmodells der Maschine werden die Eigenformen der relevanten kritischen Eigenfrequenzen einer detaillierten Verformungsanalyse unterzogen. Ziel dieser Analyse ist die Identifikation der Ursachen für die entsprechende Schwingbewegung der Maschine. Hierzu werden die Stellen identifiziert, an denen besonders große lokale Verformungen der Strukturbauteile vorliegen. Die Ursachen dieser Verformungen stellen auch die Ursachen für die Schwingbewegung dar, welche beseitigt werden müssen, um die Maschine an dieser Stelle steifer zu machen und damit die kritische Eigenfrequenz zu höheren Frequenzen hin zu verschieben.

Durch die Erhöhung der Eigenfrequenzen wird im Allgemeinen die dynamische Nachgiebigkeit an der Stelle, an der die Eigenfrequenz zuvor lag, gesenkt [3,12]. Daher kann davon ausgegangen werden, dass man die Dynamikprobleme durch die Versteifung der Betten verringern und ein Auftreten von Ratterschwingungen vermeiden kann.

In Bild 4 ist das Verformungsverhalten der Maschine für die identifizierten relevanten Eigenfrequenzen im unteren Bereich dargestellt. Für das Kippen von Fräseinheit und Werkstückhalter in Z-Richtung bei 30 Hz ist die Ursache der Schwingbewegung vor allem im Bereich der Anbindung des Werkstückhalters an die Mitteneinheit zu suchen, da hier die größten Verformungen auftreten. Trotz einer großen Anzahl an Querrippen im Bett verformt sich die Anbindungsplatte, wodurch sich die gesamte Mitteneinheit in Z-Richtung durchbiegt. Daraus resultiert ein Aufklaffen der Seiten- und Mitteneinheit zueinander.

Beim gegenphasigen Kippen treten große lokale Verformungen auf

Auch beim gegenphasigen Kippen von Fräseinheit und Werkstückhalter in X-Richtung bei 35 Hz treten die größten lokalen Verformungen im Bereich der Anbindung des Werkstückhalters an der Mitteneinheit auf (siehe Bild 4 mittig unten). Wie bei der Eigenform bei 30 Hz verformt sich die Anbindungsplatte, da die zur Unterstützung vorgesehenen Längsrippen diese nicht halten können.

Im Gegensatz zu den beiden bisher betrachteten Eigenfrequenzen liegen bei der Rotation der Fräseinheit um die Y-Achse bei 55 Hz die Ursachen der Schwingbewegung im Bereich der Führungen an der Seiteneinheit (Bild 4 rechts unten). Dabei kommt es unter anderem zu einem Abkippen der hinteren Führung, obwohl Querrippen zur Stabilisierung der Führungsbahn in die Seiteneinheit integriert sind.

Nach der Identifikation der Schwingungsursachen wurden in Zusammenarbeit mit dem Hersteller verschiedene Maßnahmen zur strukturellen Versteifung der Betten erarbeitet, zur simulativen Überprüfung im Finite-Elemente-Modell integriert und bewertet. Um die Anbindungsplatte steifer an das Bett zu koppeln, wurde sie massiver ausgeführt und vergrößert, sodass auch die beiden nächstgelegenen Querrippen zur Unterstützung der Anbindung beitragen können. An der Seiteneinheit wiederum wurde beispielsweise dem Abknicken der hinteren Führung entgegengewirkt, indem die Anzahl und Stärke der Querrippen erhöht wurde.

Nach der Umsetzung der Maßnahmen im Maschinenmodell wurde erneut eine Simulation durchgeführt. Durch einen Vergleich der Eigenformen zwischen dem Ausgangsmodell und dem verbesserten Modell können die Auswirkungen der Verbesserungen beurteilt werden. So ergaben sich Erhöhungen der Eigenfrequenzen um 128 % für die erste Mode bei 30 Hz, um 138 % bei 35 Hz und um 35 % bei 55 Hz. An diesen Frequenzerhöhungen zeigt sich deutlich die gesteigerte Steifigkeit der Bettenkonstruktion.

Die so umkonstruierten Betten wurden aufgrund der positiven Bewertung gefertigt und die Maschine umgebaut. Zur finalen Bewertung wurden erneut Bearbeitungsversuche mit allen relevanten Prozessparametern vermessen und auf das Auftreten von Instabilitäten hin untersucht. Dabei zeigte sich, dass alle untersuchten Prozesse gänzlich stabil verliefen und die geforderten Werkstücktoleranzen eingehalten wurden.

Die durchgeführten strukturellen Verbesserungen führten also wie berechnet zu einer deutlichen Versteifung der Maschine, sodass zuvor instabile Prozesse auf der verbesserten Maschine stabil sind.

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