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Dämpfung in Maschinenkomponenten Komponentendämpfung im Kontext der Werkzeugmaschine

Autor / Redakteur: Christian Brecher, Marcel Fey, Daniel Christoffers und Michael Wagner / Mag. Victoria Sonnenberg

Das Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen hat die methodischen Voraussetzungen geschaffen, die Dämpfung in Maschinenkomponenten zu modellieren und zu parametrieren. Dabei wurde der Einfluss verschiedener Konstruktionsvarianten und des Schmierstoffes auf die Dämpfungseigenschaften der Linearachskomponenten abgeleitet.

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Bild 1: Das Dreh-Fräszentrum G200 Index.
Bild 1: Das Dreh-Fräszentrum G200 Index.
(Bild: Index-Werke GmbH & Co. KG Hahn & Tessky)

Der technologische Fortschritt stellt an moderne spanende Werkzeugmaschinen (WZM) hohe Anforderungen hinsichtlich Leistungsvermögen und Fertigungsgenauigkeit. Diese Aspekte werden dadurch beeinflusst, wie die dynamische Nachgiebigkeit der Maschine und der Schneidprozess miteinander wechselwirken. Wirtschaftlich und technisch besonders interessant sind ausgeprägte dynamische Nachgiebigkeiten im Kraftfluss der Maschine, welche durch nicht ausreichende Dämpfung oder Steifigkeit entstehen.

An den Stellen solcher Nachgiebigkeitsausprägungen kann regeneratives Rattern auftreten, was das Leistungsvermögen, die zu erzielende Oberflächengüte und den Verschleiß am Werkzeug negativ beeinflusst [2; 10]. Für den Entwicklungsprozess ist es daher vorteilhaft, dieses dynamische Verhalten gezielt beeinflussen zu können. Dazu ist die genaue Kenntnis der Steifigkeiten, Massen sowie Dämpfungen aller im Kraftfluss liegenden Strukturbauteile, Maschinenelemente und Fügestellen notwendig. Im Gegensatz zu den Massen- und Steifigkeitsparametern sind Angaben zu validierten Dämpfungsmodellen und deren Parametrierung selten.

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Am Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen wurden daher in vorangegangenen Projekten die methodischen Voraussetzungen geschaffen, dieses Defizit abzubauen und somit die Dämpfung in Maschinenkomponenten zu modellieren und zu parametrieren. Hierbei konnten bereits relevante Erkenntnisse abgeleitet werden, wie der signifikante Einfluss der verschiedenen Konstruktionsvarianten und des Schmierstoffes auf die Dämpfungseigenschaften der Linearachskomponenten [5]. Diese Erfahrung soll im aktuellen Projekt genutzt und im Kontext der Gesamtmaschine angewendet werden. Es wird untersucht, ob sich die dynamische Nachgiebigkeit und die Prozessstabilität gezielt durch die Anpassung einzelner Linearachskomponenten, wie zum Beispiel Vorspannung oder Schmierung, verbessern lassen.

Herausfordernde Dämpfungsermittlung

Die Ermittlung der Dämpfung in schwingenden Systemen gestaltet sich aus vielen Gründen schwierig. Dies liegt vor allem daran, dass Dämpfung, definiert als dissipierte Bewegungsenergie, nicht direkt gemessen werden kann [9].

Neben diesem Umstand erweist sich die Systemimmanenz der Dämpfung als ebenso ungünstig. Ferner lassen sich bei der Messung keinerlei Rückschlüsse hinsichtlich des Wirkortes der Dämpfung ziehen, sie muss demzufolge lokal abgebildet werden, wenn eine simulative Prognose angestrebt wird [7]. Viele Maschinenelemente erhalten zudem erst im eingebauten Zustand ihre endgültigen Eigenschaften, wie zum Beispiel die Vorspannung von Lagern. Bei der Konstruktion von Prüfständen ist daher darauf zu achten, dass solche Einbauzustände abgebildet werden können. Durch die Einbindung des Untersuchungsobjektes in einen Prüfstand entstehen allerdings neue, unbekannte Dämpfungsquellen. Diese resultieren maßgeblich aus der Dämpfung der Fügestellen und Prüfstandsbauteile. Um diese sogenannte Fremddämpfung zu bestimmen, ist es möglich, den Prüfstand sukzessive aufzubauen und nach jedem Schritt einen Abgleich mit der Simulation durchzuführen. Auf diese Weise sind alle Parameter der Fremddämpfung nacheinander bestimmbar.

Das Entstehen von Ratterschwingungen infolge von selbsterregten Schwingungen limitiert das Spektrum der zu erreichenden Leistung bei einer WZM. Schwingungen dieser Art treten ab einer bestimmten Schnitttiefe auf und sind somit ein Maß für die Leistungsfähigkeit einer spanenden WZM. Bei günstiger Kombination von Drehzahl und Zustellung lässt sich ein Bearbeitungsprozess zum Positiven beeinflussen. Eine anschauliche Darstellung des Stabilitätsverhaltens einer Werkzeugmaschine geschieht über sogenannte Stabilitätskarten, welche ihre Leistungsgrenze aufzeigen.

Die Variation von Prozessparametern ist, neben der gezielten Beeinflussung der dynamischen Eigenschaften, eine Möglichkeit, das Maschinenverhalten zu variieren. Einen großen Einfluss auf die Gesamtdämpfung des Systems haben dabei Füge- und Koppelstellen, deren Dämpfungseigenschaften etwa eine bis zwei Zehnerpotenzen höher liegen als die der Strukturbauteile. Es gibt, neben konstruktiven Änderungen, die Möglichkeit, einzelne Resonanzprobleme und damit die Prozessstabilität mithilfe von Hilfsmassendämpfern, Reibungsdämpfern oder aktiven Dämpfungssystemen zu beeinflussen [1; 8].

Grundlage des aktuellen Projekts sind die in vorangegangenen Projekten der Forschergruppe Dämpfung (FOR1087) gewonnenen Erkenntnisse. In diesen Arbeiten wandte man sich unter anderem der Entwicklung geeigneter Methodiken und dem Nachweis der Gültigkeit identifizierter Modelle zu. Die notwendigen Prüfstände wurden ebenfalls ausgelegt, konstruiert und gefertigt.

Wie bereits aufgezeigt, ist die Trennung der Fremddämpfung von der Dämpfung des Untersuchungsobjekts eine wesentliche Herausforderung bei der Ermittlung der Komponentendämpfung. Die ebenfalls aufgezeigte Methode des sukzessiven Aufbaus des Prüfstandes und des parallelen simulativen Abgleichs erweist sich in der Praxis als ungünstig.

Ein solcher Aufbau ändert bei jedem Montageschritt die Massen- und Steifigkeitsverhältnisse des Prüfstandes. Das Modell wird also simulativ an Schwingungsformen abgeglichen, die nicht identisch mit denen des Gesamtaufbaus sind. Am WZL wird die Fremddämpfung mittels der in Bild 2 dargestellten Methodik abgeglichen. Die zu untersuchende Komponente wird in der Koppelstelle zwischen zwei schwingenden Massen positioniert und vermessen. Der Ablauf und die Methode wurden bereits in [6; 3; 4] erläutert und validiert. Bei Untersuchungen wurde diese Methodik auf die Dämpfungseigenschaften von Profilschienenführungen (PSF), die Muttern von Kugelgewindetrieben (KGT) sowie KGT-Fest- und -Loslager angewendet. Für die PSF wurde dabei der Einfluss der Vorspannklassen und der Schmierung herausgearbeitet und als signifikant für das Dämpfungsverhalten bestimmt (Bild 3).

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