Schnellere Prozesse sorgen für mehr Hitze und so für mehr Fehler

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Werkzeugmaschinenlabor WZL RWTH Aachen

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Thermoelastisches Verhalten ist geschwindigkeitsabhängig

Um das thermoelastische Verhalten des Kugelgewindetriebes systematisch auswerten zu können, wird zunächst die Temperaturentwicklung bei unterschiedlichen Geschwindigkeiten betrachtet. In Bild 3 ist hierzu der Temperaturverlauf an der KGT-Mutter für die Versuche dargestellt. Es zeigt sich das charakteristische exponentielle Verhalten: Bei der geringsten Verfahrgeschwindigkeit von 10 m/min erreicht die KGT-Mutter den Beharrungzustand bei etwa 29 °C. Je höher die Geschwindigkeit gewählt wird, desto mehr Wärme wird in das System eingebracht. Der Beharrungszustand bei der höchsten Verfahrgeschwindigkeit von 40 m/min liegt dadurch bei 31 °C.

Die Versuchsergebnisse lassen darauf schließen, dass das thermoelastische Verhalten von der gewählten Geschwindigkeit abhängig ist. Infolge der geschwindigkeitsabhängigen Erwärmung der KGT-Spindel zeigt sich auch eine unterschiedliche axiale Dehnung (Bild 4). Bei einer Verfahrgeschwindigkeit von 40 m/min beträgt die axiale Dehnung der KGT-Spindel maximal 65 µm. Auch hier zeigt sich die Abhängigkeit von der gewählten Geschwindigkeit. Je nach Ausführung der Positionserfassung der Werkzeugmaschine kann die axiale Dehnung der KGT-Spindel zu deutlichen Abweichungen von der Sollposition führen.

Neben der Erwärmung der Komponente ist die Wärmeleitung in angrenzende Bauteile besonders zu betrachten (Bild 5). Der Wärmefluss der KGT-Mutter über die Kraftmessdose hin zum Loslagergehäuse führt dort zu einem Temperaturunterschied von etwa 3 °C. Dieselbe Temperaturerhöhung stellt sich auf der Antriebsseite am Festlagerbock ein, der sich im Wesentlichen homogen erwärmt. Die Temperatur am Tisch steigt nur um 1 °C an. In zukünftigen Versuchen werden weitere Einflussfaktoren wie das Abstreifersystem, die gezielte Belastung des KGT durch eine Gegenkraft des Linearmotors oder auch andere Bauformen und Vorspannklassen betrachtet.

Für die Untersuchung des thermoelastischen Verhaltens von Kugelgewindetrieben wurde ein Prüfstand entwickelt, der eine Variation verschiedener Einflussgrößen zulässt. Der Prüfstand ist mit einer Kraftmessung versehen, die es ermöglicht, die vorherrschende Reibkraft zu bestimmen.

Die Temperaturverteilung wird mit taktiler Messtechnik entlang des Wärmeflusses erfasst. Erste Versuche zeigen einen geschwindigkeitsabhängigen Wärmeeintrag. Bei einer geringen Verfahrgeschwindigkeit von 10 m/min bildet sich in der Kugelgewindemutter, dem wärmsten Bauteil der Komponente, eine Temperatur von 29 °C aus.

Wärmeeintrag angrenzender Bauteile betrachten

Eine Verdopplung der Geschwindigkeit lässt die Temperatur um 1 auf 30 °C ansteigen. Bei weiterer Erhöhung der Geschwindigkeit wurde festgestellt, dass die Temperatur an der Kugelgewindemutter weiter zunimmt. In zukünftigen Versuchen werden andere Einflussfaktoren, wie beispielsweise das Abstreifersystem, die Komponentenausführung und die gewählte Vorspannklasse, untersucht.

Die vorgestellte Untersuchung ist Teil des Sonderforschungsbereichs Transregio 96, Teilprojekt B03 („Komponenten- und Baugruppenuntersuchung“), das die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) finanziell unterstützt. MM

Literatur

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[8] Mayr, J. (2012): „Thermal Issues in Machine Tools“. In: CIRP Annals – Manufacturing Technology, Volume 61, Issue 2, S. 771-791.

* Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher ist Lehrstuhlinhaber, Dipl.-Ing. Marcel Fey Oberingenieur der Abteilung Maschinentechnik, M. Sc. Kolja Bakarinow und Dipl.-Ing. Stephan Neus sind wissenschaftliche Mitarbeiter am Lehrstuhl für Werkzeugmaschinen des Werkzeugmaschinenlabors WZL der RWTH Aachen in 52074 Aachen, Tel. (02 41) 8 02 74 43, k.bakarinow@wzl.rwth-aachen.de

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