Effects of machine component damping on dynamic behaviour and process stability of machine tools
Metal-Cutting and Abrasive Manufacturing Engineering
Final Report Abstract
Im bearbeiteten Transferprojekt wurden die an Einzelprüfständen für Linearachskomponenten generierten Parameter Steifigkeit und Dämpfung im Kontext der gesamten Werkzeugmaschine (WZM) untersucht. Ziel der Untersuchungen war die Beantwortung der Frage nach der notwendigen Genauigkeit bei der Bestimmung oben genannter Parameter sowie nach dem Nutzen von gezielten Anpassungen ausgewählter Maschinenelemente hinsichtlich dynamischer Optimierung von WZM, im Speziellen der Prozessstabilität. Um ein möglichst großes Baugrößenspektrum abbilden zu können, wurde zur Beantwortung der genannten Fragestellungen zusammen mit zwei Anwendungspartnern aus der Industrie zusammengearbeitet. Mithilfe aufgebauter Simulationsmodelle war es möglich, die gemessenen Streuungen einzelner Maschinenelemente und deren Einfluss auf die simulierte Dynamik der WZM zu untersuchen. Als Rückschluss daraus wird die Kernfragestellung nach der notwendigen Genauigkeit beim Bestimmungsprozess beantwortet. Die Untersuchungen an beiden Projektmaschinen zeigen, dass baugleiche Maschinen bereits eine Streuung von bis zu 9 % in der Dämpfung und ca. 5 % in der Frequenz besitzen, bezogen auf relevante Schwingungsmoden. Daraus resultierend kann erst bei Überschreiten dieser Streuung von einem Einfluss der Exemplarstreuung ausgegangen werden. Es zeigt sich, dass sich die in die Simulation implementierte Exemplarstreuung in erster Näherung nicht auf die simulierten Nachgiebigkeitsfrequenzgänge auswirkt. Alle Abweichungen liegen weit unter der Maschinenstreuung. Hinsichtlich der ersten Kernfrage nach der notwendigen Genauigkeit bei der Bestimmung der Dämpfungs- und Steifigkeitseigenschaften lässt sich feststellen, dass es bei Kenntnis der Eigenschaften zweier Baugrößen möglich ist, die Eigenschaften einer dritten Baugröße zu inter- oder extrapolieren. Darüber hinaus ist es ebenfalls nicht notwendig, die Steifigkeit mit Genauigkeiten in der Größenordnung von 100 zu bestimmen. Stattdessen ist die Größenordnung 10^1 ausreichend. Ähnliches gilt für den Dämpfungsparameter, der lediglich mit einer Genauigkeit von größer als 10^-1 bestimmt werden muss. Zur Beantwortung der zweiten Kernfragestellung wurden bei beiden Anwendungspartnern Untersuchungen an realen WZM vorgenommen. Diese umfassten neben Modalanalysen ebenfalls Fräsversuche zur Bestimmung der Prozessstabilität sowie die Vermessung des dynamischen Nachgiebigkeitsverhaltens. Hinsichtlich der Prozessstabilität wurde in den Untersuchungen herausgestellt, dass sich die Verwendung von unterschiedlichen Schmierstoffen und Konstruktionsvarianten eignet, um die dynamischen Eigenschaften einer WZM in bestimmten Drehzahl- und Frequenzbereichen zu verbessern. Besonders die Viskosität des Schmierstoffes trägt maßgeblich zur Stabilität des Prozesses bei. So zeigen die Untersuchungen sowohl an der INDEX- als auch an der Heller-Maschine, dass ein höherviskoser Schmierstoff den Prozess im untersuchten Drehzahlband stabilisiert. Auch die Verwendung einer anderen Vorspannklasse der Linearführungen begünstigt unter bestimmten Umständen den Prozess. Da sich dieses Verhalten jedoch nicht im gesamten Drehzahlbereich beobachten lässt, ist hierfür keine eindeutige Aussage abzuleiten. Die Untersuchungen an der Heller-Maschine zeigen zudem, dass die Verwendung einer angepassten Baugröße des Kugelgewindetriebs die Prozessstabilität verbessern kann. Auffallend ist, dass unter gegebenen Randbedingungen auch ein Downsizing zielführend ist, um den Prozess zu stabilisieren. Hinsichtlich der Möglichkeit der Verbesserung der Prozessstabilität durch die Verwendung angepasster Systemparameter wie Schmierung, Vorspannklasse und Baugröße lässt sich abschließend festhalten, dass es durch die gezielte Wahl der Systemparameter möglich ist, die Prozessstabilität in bestimmten Bereichen zu verbessern. Jedoch erscheint hier lediglich die Steigerung der Viskosität als vielversprechend in einem globaleren Drehzahlband. Das dynamische Nachgiebigkeitsverhalten der untersuchten WZM kann nur durch eine Steigerung der Vorspannung des Kugelgewindetriebs maßgeblich verbessert werden. Alle anderen mechanischen Anpassungen wie Regelung, Motor und Kupplung verändern das Nachgiebigkeitsverhalten nur unwesentlich. Einzig der genannte Vorspannungswechsel des Kugelgewindetriebs erzeugt ein dynamischen Verhalten, das nicht in der Maschinenstreuung untergeht. Dennoch eigenen sich die gewonnenen Erkenntnisse für den Simulationsprozess und zur weiterführenden Beantwortung der Genauigkeitsfrage. So deuten die Ergebnisse darauf hin, dass bei der simulativen Abbildung einer WZM sowohl die Regelung als auch der Motor selbst im vorliegenden Beispiel nicht abgebildet werden muss. Stattdessen ist es notwendig, die bislang nicht berücksichtigten Abstreifer der verfahrenden Achsen abzubilden, da diese einen deutlichen Einfluss auf den Nachgiebigkeitsfrequenzgang besitzen. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass beide Kernfragestellungen im vorliegenden Projekt beantwortet wurden. Hinsichtlich der Möglichkeit der Optimierung der dynamischen Eigenschaften einer WZM kann es durch die Anpassung einzelner Komponenten und Systemparameter gelingen, diese zu verbessern. Als Rückschluss auf diese Erkenntnis ist es nicht notwendig, jeden Systemparameter exakt abzubilden, stattdessen sind Schätzungen und Extra-/Interpolationen im vorliegenden Fall ausreichend.
Publications
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Einfluss der Komponentendämpfung auf das Gesamtsystem Werkzeugmaschine. ZWF – Zeitschrift für wirtschaftlichen Fabrikbetrieb 112 (2017) 12, S. 839–842
Brecher, C., Christoffers, D. u. Fey, M.
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Komponentendämpfung im Kontext der Maschine. maschinenmarkt 123 (2017) 42, S. 26–31
Brecher, C., Fey, M., Christoffers, D. u. Wagner, M.
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Komponentendämpfung als Werkzeug zur dynamischen Optimierung von Werkzeugmaschinen. Konstruktion 70 (2018) 5, 76-82
Brecher, C., Christoffers, D. u. Fey, M.
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Streuung des dynamischen Verhaltens baugleicher Maschinen. wt Werkstattstechnik Online 108 (2018), 278–283
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