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Die ideale Kombination

Der moderne Werkzeugmaschinenbau setzt mehr denn je auf montagefertige Baugruppen mit integrierten Funktionen. Was bis dato im Kompaktformat kaum möglich schien, nämlich die Vorteile der hydrostatischen Lagerung und der Präzisions-Linearführungen in einer Einheit zu kombinieren, konnte in neuen Hydrostatik-Kompaktführungen technisch und wirtschaftlich realisiert werden.

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Vergleich der Dämpfungswirkung zwischen Hydrostatischer Kompaktführung und Profilschienenführung

Vergleich der Dämpfungswirkung zwischen Hydrostatischer Kompaktführung und...

Hydrostatisch gedämpft und außerdem geführt durch Hochleistungs-Wälzlagersysteme – diese an sich logische Funktions-Kombination galt jahrelang als der Traum für Konstrukteure von Werkzeug- und Präzisionsmaschinen.

Die Vorteile der hydrostatischen Lagersysteme in Bezug auf Dämpfungseigenschaften sind bekannt – und für die Vorteile moderner Wälzlagerführungen gilt dasselbe. Außerdem haben einige der Hersteller von Wälzlagerführungen wie Schaeffler KG ihr Lieferprogramm an Linearführungen mit einem umfangreichen Programm an Zubehör versehen, das auch spezielle Dämpfungselemente enthält. Doch die steigenden Anforderungen an moderne Werkzeugmaschinen sowie an deren Auslegung und Herstellung erfordern neue Lösungsansätze, weshalb sich die INA-Lineartechnik mit der gesamten Problematik befasst hat.

Doch der Reihe nach: Werkzeugmaschinen werden auf Grund ihrer hohen dynamischen Prozesskräfte beim Zerspanen oder beim schnellen Positionieren zum Schwingen angeregt. In Abhängigkeit von den dynamischen Eigenschaften einer Maschine ergeben sich zum einen spür- und sichtbare Auswirkungen auf die Bearbeitungsgenauigkeit und die Oberflächenqualität des Werkstücks. Zum anderen wirken sich Schwingungen nachteilig auf die Werkzeugstandzeit, die Spann-, Spindel- und Antriebseinheiten sowie auch auf die entsprechenden Rotations- und Linearlager aus. Ursachen für Schwingungen können sein: Fremderregte Schwingungen – harmonische Schwingungen durch Unwucht, Lagerfehler; impulsförmige Anregung durch unterbrochene Schnitte, Messereingriffsstöße, äußerliche Erschütterungen. Selbsterregte Schwingungen – Regenerativeffekt, Lagekopplung, Aufbauschneidenbildung, Werkzeugverschleiß. Wegen der endlichen Steifigkeit einer Werkzeugmaschine und der unvermeidbaren Schwankungen der Schnittkräfte bei der spanenden Bearbeitung lassen sich selbsterregte Schwingungen
(wie regeneratives Rattern...) kaum vermeiden. Während sich statische Steifigkeiten, bzw. die daraus resultierenden Verlagerungen der Bauteile, bei einer Kraft-Beaufschlagung relativ einfach exakt berechnen lassen, treten bei der Ermittlung der dynamischen Steifigkeit viele Faktoren auf, die kaum abgeschätzt werden können.

Ohne Dämpfung geht gar nichts...

Gerade aber diese unbekannten Dämpfungseinflüsse der Koppelstellen führen zu erheblichen Abweichungen zwischen Berechnung und Realität. Mit passiven Dämpfungselementen wie den INA-RUDS-Dämpfungsschlitten oder aktiven Dämpfern lassen sich die Schwingungen durchaus wirkungsvoll reduzieren und das Zerspanvolumen sowie die Bearbeitungsqualität erhöhen. Ohne zusätzliche Elemente ist das jedoch nicht zu machen und für den Einsatz eines Aktiv-Dämpfers ist ein weiterer regelungstechnischer Aufwand erforderlich. Das „Tuning“ mittels RUDS-Dämpfungsschlitten auf Basis des Sqeezefilmdämpfers ist seit Jahren eine INA-Spezialität und erfährt nun mit der Entwicklung von Hydrostatik-Kompaktführungen seine logische Fortführung. Nach wie vor legen statische und die dynamische Steifigkeit, resultierend aus der Gestaltung und Form einzelner Maschinenteile und Komponenten sowie der regelungstechnischen Ansteuerung der Antriebseinheiten den Grundstein für die Performance einer Werkzeugmaschine. Denn nur durch die perfekte Abstimmung aller Komponenten können die Potenziale moderner Schneidstoffe und innovativer Werkzeuge in vollem Umfang genutzt werden.

Die RUDS-Dämpfelemente arbeiten jedoch nur bei Relativbewegungen senkrecht zur Verfahrachse und an Orten größter Elongation effektiv. Das heißt, der Schwingungsmode des kritischen Arbeitspunktes muss bekannt sein, um das RUDS-Dämpferelement richtig platzieren zu können. Aus einer langen Reihe von bei INA-Lineartechnik durchgeführten Modalanalysen ist bekannt, dass Biege- und Torsionsschwingungen von Großbauteilen sowie Schwingungen von Tischbaugruppen mit 50 Prozent den größten Anteil der auftretenden
Schwingungsmodien haben. Allerdings haben auch die reinen „Verfahrschwingungen“ mit 15 Prozent einen vergleichsweise großen Anteil. Gründe dafür können nicht ausreichende Steifigkeit von Antriebsspindeleinheiten bzw. deren Anbindung an die Anschlusskonstruktion sein.

Sqeezefilmdämpfung ist gut – hydrostatische Dämpfung ist besser

Hydrostatische Führungen bieten dagegen in allen Bereichen exzellente Dämpfung, verlangen aber einen deutlich höheren Aufwand an Fertigung, Montage und somit Kosten. Des Weiteren gestaltet sich die Umgebungskonstruktion aufwändiger, denn es müssen in die Reibungs-/Lagerpartner Kanäle und Ölrückführungen eingearbeitet werden.

Daher stellten sich die INA-Ingenieure die Frage, ob sich die Vorteile der kompakten Wälzlager-/ Profilschienenführungen wie Standardbauraum und Standardanschlussmaße mit den Dämpfungs-Eigenschaften einer hydrostatischen Führung kombinieren lassen – ob eine hydrostatische Kompaktführung herzustellen ist, die in den Anschlussmaßen und im Lichtraumprofil gegen eine Wälzlager-/Profilschienenführung auszutauschen ist. Mit der Vorstellung einer standardisierten hydrostatischen Kompaktführung ist es INA-Lineartechnik nun gelungen, den gordischen Knoten zu durchschlagen. Dazu wurde zunächst der Tragkörper in seiner Steifigkeit optimiert und die Schienenkontur entsprechend abgeändert. Nun ist der Tragkörper mit einer Rundum-Abdichtung ausgerüstet, die das Ausfließen des am Druckspalt überfließenden Öls verhindert. Das drucklose Öl wir an der Absaugseite zurückgeführt – die hydraulische Steuerung (ein Drosselblock) ist im Führungswagen voll integriert und werksseitig bereits justiert, so dass der Kunde eine einbaufertige Einheit erhält. Die steckerfertig justierten hydrostatischen Kompaktführungen sind, dank gleicher Anschlussmaße und gleichem Lichtraumprofil, problemlos anstelle herkömmlicher Profilschienenführungen zu montieren. Dadurch ergibt sich ein erheblich geringerer Konstruktions-, Fertigungs- und Montageaufwand
gegenüber der Kombination Hydrostatiklagerung mit Gleitführung. Die übrigen Achsen sind wie gehabt mit Profilschienenführungen auszurüsten.

Höhere Dynamik, mehr Zerspanleistung

Mit den neuen Hydrostatik-Kompaktführungen der INA-Lineartechnik erschließen sich den Maschinenherstellern weitere Möglichkeiten bezüglich Konzeption und Aufbau ihrer Produkte. Davon profitieren wiederum die Anwender, nämlich in Gestalt höherer Dynamik, Reduzierung unproduktiver Nebenzeiten, mehr Zerspanleistung pro Zeiteinheit, höherer Konturtreue und Genauigkeit sowie Oberflächenqualität bei den Werkstücken. Außerdem werden die Werkzeuge, Spannsysteme, Spindeln und überhaupt die Maschine selbst geschont, was wiederum in höhern Standzeiten, reduzierten Werkzeugkosten, Langzeitgenauigkeit, gesteigerter Prozesssicherheit und technischer Verfügbarkeit zum Ausdruck kommt.

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