Kugelgewindetriebe Schnellere Prozesse sorgen für mehr Hitze und so für mehr Fehler

Die Genauigkeit von Bearbeitungsprozessen ist abhängig vom statischen, dynamischen und thermischen Verhalten der verwendeten Werkzeugmaschine. Dabei haben thermische Veränderungen einen großen Anteil am Gesamtfehler. Deshalb wurde nun das thermoelastische Verhalten von Kugelgewindetrieben untersucht.

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Aachener Maschinenbau GmbH

AFC Europe Ltd Bochum Technisches Zentrum

Mikron Switzerland AG, Division Tool

Werkzeugmaschinenlabor WZL RWTH Aachen

Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen

Das statische und das dynamische Verhalten einer Werkzeugmaschine lassen sich immer besser vorhersagen. Somit konnte dieser Fehleranteil zunehmend reduziert werden. Stattdessen nimmt der thermische Fehler einen größer werdenden Anteil am auftretenden Gesamtfehler an. In den letzten Jahrzehnten [1, 2] stieg dieser Anteil auf 70 bis 75 %.

Dabei lassen sich bei Komponenten einer Werkzeugmaschine grundsätzlich innere und äußere Wärmequellen unterscheiden [3]. Die inneren Wärmequellen und -senken können nochmals in aktive (Kugelgewindetriebe [4, 5], Linearführungen [6]) und passive (Maschinenbett) untergliedert werden. Zu den äußeren Wärmequellen zählen unter anderen die Umgebungstemperatur, andere Maschinen und die Sonneneinstrahlung.

Inhomogenes Temperaturfeld kann zur Verlagerung des TCP führen

Zusammen bewirken die Wärmequellen und -senken ein inhomogenes Temperaturfeld, welches zu Verlagerungen innerhalb der Maschine und letztlich zu einer Verlagerung des Tool Center Point (TCP) führen kann [7, 8]. Aus diesem Grund untersucht das Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen das thermoelastische Verhalten der Maschinenkomponenten. Hierzu werden Prüfstände entwickelt, die eine gezielte Untersuchung der jeweiligen Komponente, wie des Kugelgewindetriebs unter Variation verschiedener Einflussparameter ermöglicht.

Fest-Frei-Lagerung des Kugelgewindetriebs im Prüfstand

Auf dem Prüfstand wird ein Kugelgewindetrieb (KGT) mit einem Außendurchmesser von 30 mm und einer Spindelsteigung von 20 mm untersucht (Bild 2). Ein Servomotor, der über eine Klauenkupplung mit dem KGT verbunden ist, treibt ihn an. Die Mutter ist über eine Kraftmessdose mit einem Schlitten verbunden, welcher auf dem Grundgerüst des Prüfstandes geführt wird. Die Kraftmessdose ermöglicht über mehrere Dehnungsmessstreifen das Messen der Axialkraft, die sich proportional zur entstehenden Reibkraft einstellt. Auf der Unterseite des Schlittens ist zudem ein Linearmotor angebracht, der eine gezielte Belastung entgegen der Verfahrbewegung aufbringen kann. Im derzeitigen Aufbau handelt es sich um eine Fest-Frei-Lagerung des Kugelgewindetriebs, bei der das Festlager auf der Antriebsseite angebracht ist.

Zur Ermittlung des thermoelastischen Verhaltens des KGT im Beharrungszustand wird dieser im Dauerbetrieb untersucht. Um diesen zu erreichen, wird der KGT in einer Pendelbewegung über 4 h mit konstanter Geschwindigkeit angetrieben. In diesem Zeitraum erfassen PT-100-Elemente, die sich entlang des Wärmeflusses auf der Mutter, der Kraftmessdose und dem Gestell befinden, die Temperatur.

Der Prüfstand ist gegenüber Sonnenstrahlung und Zugluft abgeschirmt und die Umgebungstemperatur wird zur Kontrolle aufgezeichnet, sodass man den Einfluss der Umgebungstemperatur korrigieren oder ausschließen kann. Ein zusätzlicher Wirbelstromsensor misst gegen die Stirnfläche der Spindel und erfasst somit die Längung der Spindel in axialer Richtung.

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