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Maschinenbauforschung Magnetische Führungssysteme optimieren die Zerspanung

| Autor / Redakteur: B. Denkena, B. Bergmann, T. Brühe, R. Krüger, T. Schumacher, J. Fuchs und J.-Ph. Schmidtmann / Peter Königsreuther

Produktivität, Qualität und Präzision sollen stets mehr werden. Das fordert Werkzeugmaschinenbauer heraus. Aktive Magnetlager könnten sich dabei als enorm hilfreich herauskristallisieren.

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Bild 1: Magnetische Lagersysteme für Maschinen erforscht man am IFW in Hannover: [a] Mögliche Lageranordnung um eine magnetisch geführte Maschinenkomponente. [b] Aufbauprinzip eines Magnetlagers.
Bild 1: Magnetische Lagersysteme für Maschinen erforscht man am IFW in Hannover: [a] Mögliche Lageranordnung um eine magnetisch geführte Maschinenkomponente. [b] Aufbauprinzip eines Magnetlagers.
(Bild: IFW)

Lager und Führungen ermöglichen die Relativbewegungen zwischen Werkzeug und Werkstück. Sie bestimmen auch wesentlich die Genauigkeit und Dynamik einer Maschine. Eine Führungsalternative mit besonders hohem Potenzial sind aktive Magnetlager. Das Funktionsprinzip eines solchen Lagers für einen Freiheitsgrad zeigt Bild 1. Elektromagneten erzeugen vom jeweiligen Spulenstrom abhängige Kräfte, die durch einen Luftspalt hindurch auf die geführte Maschinenkomponente wirken. Die Luftspaltbreiten werden ständig berührungslos gemessen. Eine Regelung stellt abhängig von den Luftspalten die Magnetkräfte über den Spulenstrom so ein, dass die geführte Maschinenkomponente in der Schwebe gehalten und präzise feinpositioniert werden kann.

Am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover wird der Nutzen von magnetischen Führungen schon Jahre praxisnah erforscht. Dabei wurden nicht nur die vielen Vorteile von Magnetführungen identifiziert, sondern auch ganz neue Maschinenkonzepte umgesetzt. Vier praktische Beispiele sollen nun verdeutlichen, was Magnetführungen können.

Unbegrenzte Drehzahl für den Rundschwenktisch? Kein Problem!

Die Fertigung räumlicher Freiformflächen bedarf 5-Achs-Werkzeugmaschinen mit Rundschwenktisch. Die Reibung in den üblichen YRT-Wälzlagern des Tischs begrenzt die erreichbare Drehzahl desselben. Magnetführungen aber erzeugen keine Reibung, weswegen die mögliche Drehzahl nur noch durch den Antrieb beschränkt wird.

Auch kann der nun schwebende Tisch dynamisch feinpositioniert und die Dämpfung im Kraftfluss angepasst werden. Das erhöht die Produktivität beim Fräsdrehen enorm.

Und es gibt noch ein Plus, denn das Reibmoment kann um den Faktor 100 reduziert werden. Bei Drehzahlen über 1000 min-1 wird sogar weniger elektrische Energie für das Schweben benötigt, als ein YRT-Wälzlager zur Überwindung des Lagerreibmoments bräuchte. Der Tisch wird auch nicht mehr so warm, was die Präzision bei der Zerspanung erhöht.

Im Rahmen des Projekts „Magnetisch gelagerte Rundachse zum Einsatz in der Produktregeneration“ wurde mit Siemens und MAG IAS ein Prototyp eines solchen Rundschwenktisches mit 500 mm Durchmesser entwickelt und erforscht. Sein YRT-Wälzlager hat man dazu durch eine magnetische Lagerung mit zwölf Elektromagneten ersetzt (Bild 2).

Bild 2: Prinzipieller Aufbau eines magnetisch gelagerten Drehschwenktisches.
Bild 2: Prinzipieller Aufbau eines magnetisch gelagerten Drehschwenktisches.
(Bild: IFW)

Mit dieser Neuentwicklung kann man die Position des Tisches mit einer Genauigkeit von rund ±0,3 mm dynamisch einstellen. So gelingt die adaptive Anpassung an der Rotationsachse und das zeitraubende Feinjustieren zylindrischer Bauteile ist Vergangenheit.

Weil die Magnetlagerkräfte bekannt sind, kann man aus ihnen den Werkstückschwerpunkt ableiten. Das heißt, man kann die Aufspannung respektive Wuchtung rasch korrigieren. Rundschwenktische sind bekanntlich auch austauschbar und quasi Standardhardware, weshalb man eine bestehende Anlage einfach umrüsten kann.

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