Spanende Fertigung Wärmeausdehnung minimieren

Die Verwendung von CFK verbessert das thermische Verhalten von Drehmaschinen-Spindelkästen.

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Die Verwendung von CFK verbessert das thermische Verhalten von Drehmaschinen-SpindelkästenZunehmende Zerspanleistungen und Drehzahlen bei der Drehbearbeitung führen zu wachsenden thermischen Störungen, welche die Arbeitsgenauigkeit von Drehmaschinen negativ beeinflussen. Eine wesentliche Störgröße im System Spindelkasten ist die in Wärme umgesetzte Verlustleistung der Spindellager, die in die Hauptspindel und in den Spindelkasten geleitet wird. In Abhängigkeit von Drehzahlspektrum und Zerspankräften werden dort örtlich und zeitlich veränderliche Temperaturfelder mit entsprechenden thermischen Verlagerungen induziert. Aufgrund der verschiedenen Geometrien und Lagerverlustleistungen auf der Antriebs- und Abtriebsseite kommt es in der Regel zu keiner eindimensionalen Verlagerung der Spindelachse. Wechselnde Bearbeitungszyklen bei der Drehbearbeitung führen dazu, dass ein Beharrungszustand nicht erreicht wird.Ein konstruktiver Ansatz zur Minimierung der thermisch bedingten Verformungen besteht in der Substitution des bei Spindelkästen häufig eingesetzten Graugusswerkstoffes durch Werkstoffe mit geringerem Ausdehnungskoeffizienten. Besonders kohlefaserverstärkte Kunststoffe (CFK) bieten dabei aufgrund des sehr geringen und teilweise negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten erhebliches Potenzial. Sie wurden deshalb bereits zur Verringerung der thermisch bedingten Verformungen in Hauptspindeln eingesetzt. Langfaserverstärkter Verbundkunststoff bietet die Möglichkeit, die Werkstoffeigenschaften durch Variation des Laminataufbaus gezielt einzustellen. Bei kohlefaserverstärkten Kunststoffen ist es wegen des negativen Ausdehnungskoeffizienten der Faser möglich, Spindelkästen oder andere Werkzeugmaschinenkomponenten hinsichtlich einer möglichst geringen Verlagerung der Spindelachse zu optimieren.Ziel eines Forschungsvorhabens am Institut für Werkzeugmaschinen und Fabrikbetrieb der Technischen Universität Berlin ist die Entwicklung eines praxisgerechten Spindelkastens aus CFK. Dabei wird ein konventioneller Spindelkasten aus GG-25 einer CNC-Drehmaschine vom Typ Traub TND360 durch einen thermisch optimierten CFK-Spindelkasten ersetzt. Dieser ist direkt auf die Führungsbahn des Schrägbettes aufgeschraubt worden. Die Konzeption des CFK-Spindelkastens zielt neben einer optimalen Nutzung der Werkstoffeigenschaften hinsichtlich einer geringen thermischen Verformung auf eine kostengünstige Fertigung. Für die Realisierung des Werkzeugmaschinen-Spindelkastens aus diesem Werkstoff ist eine faserverbundgerechte Anbindung an das Maschinenbett und an die Spindellagerung unbedingt notwendig. Aufgrund der erforderlichen Genauigkeiten und der mechanischen Eigenschaften sind die Schnittstellen für die Spindellager wie beim Spindelkasten aus GG-25 aus isotropen und gut bearbeitbaren Werkstoffen auszuführen. Basis des Konzeptes sind die CFK-Lagerdoppelwände auf der Arbeits- und der Antriebsseite. In jeder Lagerdoppelwand befindet sich ein eingeklebter Lagerpassring. Der Ring auf der Arbeitsseite hat einen Bund zur Fixierung des Festlagersatzes. Der Passring auf der Antriebsseite ermöglicht ein freies Bewegen des Lagersatzes in Z-Richtung. Die CFK-Lagerdoppelwände sind in Stahlleisten eingeklebt, die als Schnittstelle zum Maschinenbett dienen. In diesen Stahlleisten befinden sich Gewinde, so dass das CFK-Spindelgestell mit dem Maschinenbett verschraubt und durch die Passflächen fixiert werden kann. Die CFK-Lagerdoppelwand ist auf der Arbeitsseite zur Aufnahme der axialen Bearbeitungskräfte mit Streben aus unidirektionalem CFK abgestützt. Die Klebverbindung der Schnittstellen mit der CFK-Struktur erfolgt mit einem speziell für FVK-Stahl-Verbindungen entwickelten Zwei-Komponenten-Klebstoff. Das Konzept ist aus fertigungstechnischer Sicht als kostengünstig zu bewerten. Als CFK-Material kam vergleichsweise preiswertes Plattenmaterial zur Anwendung, das auf einer Wasserstrahlschneidanlage bearbeitet werden kann. Im Gegensatz zu 3D-Formteilen aus CFK fallen keine Anlagenkosten für die Autoklavfertigung, keine Kosten für die 3D-Formherstellung und geringe Kosten für Fertigungshilfsmittel an. Einfache CFK-Platten sind derzeit am Markt in großer Variantenvielfalt als Halbzeug verfügbar. Ohne große Investitionskosten ist der Werkzeugmaschinenhersteller somit in der Lage, thermisch optimierte Spindelkästen aus kohlefaserverstärkten Kunststoffen herzustellen.Mit Hilfe von FEM-Analysen wurde der Laminataufbau der CFK-Doppelwände optimiert. Als optimal erwies sich eine Struktur aus 0°/90°/±45°-Lagen mit einem Anteil von jeweils 22% und einer zusätzlichen 0°-Lage von 12% Volumenanteil, so dass der Laminataufbau eine Vorzugsrichtung hinsichtlich der geringsten Wärmeausdehnung erhält, ohne die thermischen und mechanischen Eigenschaften des Werkstoffes in den anderen Richtungen erheblich zu verschlechtern. Die Vorzugsrichtung ist von der simulierten Heizleistung unabhängig, so dass sich bei allen Lagerverlustleistungen derselbe optimale Winkel für die Vorzugsrichtung einstellt. Diese optimale Vorzugsrichtung gilt jedoch nur für den Beharrungszustand, der sich aufgrund der während der Bearbeitung wechselnden Drehzahl in der Regel nicht einstellt, so dass es zu geringen Abweichungen der Vorzugsrichtung kommen kann. Im instationären thermischen Verhalten von Spindelkästen besteht damit die Grenze der konstruktiven Optimierung durch Variation der Faserrichtungen.Von besonderer Bedeutung ist die Verlagerung in X-Richtung, weil der Durchmesserfehler nach der Drehbearbeitung doppelt so hoch wie der Verlagerungsweg der Spindelachse ist. Experimentelle Untersuchungen am Prototypen ergaben, dass die thermischen Verlagerungen im Beharrungszustand bei einer Belastung von 120 W auf der Arbeitsseite auf 4 µm und damit um etwa 65% im Vergleich zum Spindelkasten aus GG-25 reduziert wurden. Die Verlagerung in Y-Richtung gewinnt mit kleinerem Bearbeitungsdurchmesser an Bedeutung. Die thermischen Verlagerungen wurden auch in dieser Richtung um 65% verringert.Ein Nachteil von kohlefaserverstärkten Kunststoffen ist die im Vergleich zu Grauguss geringere Wärmeleitfähigkeit. Aufgrund der damit verbundenen geringeren Wärmeabfuhr sind die Temperaturen im Bereich des Lagerausschnittes im Spindelkasten und in der Hauptspindel größer als bei einem Gussspindelkasten. Die verwendeten kohlefaserverstärkten Kunststoffe können mit maximalen Temperaturen von 120°C belastet werden, da ab dieser Grenztemperatur das Matrixmaterial des Kohlenstofffaserverbundes zersetzt wird. Die experimentellen Untersuchungen bei einer Wärmebelastung von 120 W ergaben maximale Temperaturen im CFK-Spindelkasten von etwa 65 °C, etwa 10 °C höher als beim Gussspindelkasten, Bild 3. Ein Versagen des Verbundwerkstoffes ist bei diesen Wärmebelastungen daher nicht zu erwarten. Bei höheren Wärmebelastungen besteht die Option der Anwendung von Hochtemperaturharzen, die eine Grenztemperatur bis 200 °C aufweisen.Außer den thermischen Eigenschaften sind die statischen Steifigkeiten des Spindelkastens für die Arbeitsgenauigkeit von Bedeutung. Zur Beurteilung des Steifigkeitsverhaltens wurden daher vergleichende Untersuchungen der Spindelkästen mit montierter Spindel durchgeführt. Es zeigte sich, dass die Anwendung des CFK-Spindelkastens zu einem schlechteren Steifigkeitsverhalten führt. Die Steifigkeiten des Gesamtsystems in X- und Y-Richtung verringern sich um 30 bis 40%. Als Hauptursache für die geringeren Steifigkeiten sind die weniger steifen Strukturen der Einzelelemente der CFK-Variante zu nennen. Nachteilig wirkt sich auch der Gesamtaufbau des CFK-Spindelgestells aus, der eine vergleichsweise hohe Anzahl von Fugen aufweist. So kommt es in den Verbindungen zu den Stahlschnittstellen zu Nachgiebigkeiten, da insbesondere die Klebefugen zu Steifigkeitsverlusten der Gesamtstruktur führen. Die zu einem Stück gegossene Struktur eines Gussspindelkastens ist hinsichtlich der statischen Steifigkeit als vorteilhafter zu bezeichnen. In einem weiteren Schritt wurde der CFK-Spindelkasten durch Nutzung von unidirektionalen CFK-Bandagen weiter optimiert. Diese Bandagen sind um die CFK-Lagerwand sowie der Schnittstelle zum Maschinenbett gewickelt worden. Auf diese Weise ergibt sich konstruktionsbedingt eine höhere Verbindungssteifigkeit, weil die krafteinleitende Schnittstelle in der CFK-Struktur integriert ist. Aufgrund der vergleichsweise hohen Steifigkeit dieser Bandage gegenüber der Lagerwand sowie des negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten wird die thermische Verformung in der Wandebene behindert. Eine wachsende thermische Beanspruchung der Gesamtstruktur hat zugleich eine höhere Kompensationswirkung entgegen der freien Wärmedehnung zur Folge. Experimentelle Untersuchungen zu den thermischen Verlagerungen ergaben, dass der bei Erwärmung bewusst hervorgerufene Eigenspannungszustand in der Lagerwand zu einer Verringerung der thermischen Verlagerungen in der Wandebene um weitere 15% bezüglich des ersten CFK-Spindelkastenkonzepts führt. Wie beim einfachen CFK-Spindelkasten kommt es zu keiner kritischen Erwärmung des CFK-Materials. Die Ergebnisse der analytischen und experimentellen Untersuchungen haben gezeigt, dass das thermische Verhalten von Werkzeugmaschinen-Spindelkästen durch eine gezielte Entwicklung der Faserverbundstruktur zu einer erheblichen Verringerung der thermisch bedingten Verlagerungen führt. Die schlechtere Wärmeleitfähigkeit von CFK führt zu vergleichsweise höheren Temperaturen in der Lagerung und in der Hauptspindel. Bei zusätzlicher Anwendung von CFK oder auch Keramiken in thermisch optimierten Hauptspindeln wird die im Lager entstehende Wärme nur ungenügend in die Umbauteile abgeführt. Am IWF der TU Berlin wird derzeit an einer geeigneten passiven Wärmeabfuhr aus dem Bereich der Lagerung gearbeitet.