Thermische Stabilität in Werkzeugmaschinen

Die Bearbeitungsgenauigkeit von Werkzeugmaschinen wird immer von den Betriebs- und Umgebungsbedingungen begrenzt. Mit nachrüstbaren Verformungssensoren kann sowohl die Genauigkeit als auch die Wiederholbarkeit der Maschinen gesteigert werden.

Nachrüstbare Verformungssensoren können dazu beitragen, die Bearbeitungsgenauigkeit und die Wiederholbarkeit von Werkzeugmaschinen bei wechselnden oder schwer vorhersehbaren Betriebs- und Umgebungsbedingungen zu steigern: Das Fraunhofer-IPT hat zu diesem Zweck Verformungssensoren entwickelt, in Großfräsmaschinen eingebaut und ausgiebig getestet, die jetzt auch in Fräs-, Dreh-, Schleif- und Sondermaschinen zum Einsatz kommen sollen.

Werkzeugmaschinen haben in der Regel ein kompliziertes thermisches Verhalten: Nicht nur die Mechanismen der Wärmeübertragung – durch Konvektion und Strahlung – sind schwer zu beschreiben. Insbesondere die Wärmekapazität des Materials selbst führt zu instationären und somit instabilen Abweichungen in der Produktion. In der Industrie eingesetzt werden bisher drei Lösungen: Warmlaufen, Temperieren und Klimatisieren. Diese Lösungen sind mit hohem Einsatz von Energie und Kosten verbunden.

Dazu kommen Effekte, die außerhalb der Maschine liegen und nicht zu prognostizieren sind: Schon geringe Schwankungen der Umgebungstemperatur führen zu Unterschieden der Bearbeitungsgenauigkeit. Der Vergleich zwischen Tag- und Nachtschicht im Unternehmen zeigt, dass selbst minimale Temperaturabweichungen in der Nähe der Werkzeugmaschinen die Genauigkeit und die Wiederholbarkeit der Positionierung des Werkzeuges beeinträchtigen. Die Reaktion auf Umgebungseinflüsse ist umso stärker, je größer das Maschinenbauteil ist und je mehr unterschiedliche Materialien es umfasst. Ein Körper mit größerer Masse kann mehr Wärme speichern. Darüber hinaus kommt es zu Hysterese-behaftetem Verhalten, wenn Bauteile unterschiedlicher Wärmekapazitäten miteinander verbunden sind. So verlagert sich der „Tool Center Point“ (TCP) beim Aufwärmen und Abkühlen des Maschinenumfelds.