Werkzeugmaschinen Dämpfende Aufstellelemente reduzieren Schwingungen

Autor / Redakteur: Uwe Schürrle / Rüdiger Kroh

Schwingungen beeinflussen die Arbeitsqualität, die Produktivität und damit die Wirtschaftlichkeit von Werkzeugmaschinen. Die Aufstellung auf Maschinenlagerungssysteme mit dämpfenden Elastomeren reduziert Eigen- und Fremdschwingungen deutlich.

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Bild 1: Mit einem dämpfenden Maschinenlagerungssystem wird das dynamische Verhalten der Werkzeugmaschine positiv beeinflusst.
Bild 1: Mit einem dämpfenden Maschinenlagerungssystem wird das dynamische Verhalten der Werkzeugmaschine positiv beeinflusst.
(Bild: Isoloc)

Die heutige Hochgeschwindigkeitstechnik ist in erheblichem Maße von der Leistungsfähigkeit der Werkzeugmaschine abhängig. Dort sind sowohl schnelldrehende Hauptspindeln, als auch dynamische Maschinenachsen erforderlich. Die Maschinenstrukturen werden dabei dynamisch höher beansprucht und gegen Schwingungseinflüsse anfälliger, die Arbeitsqualität wird beeinträchtigt. Schwingungen einer Maschinenstruktur können jedoch unter anderem zu Relativverlagerungen am Wirkpunkt (TCP) führen, die die Maß- und Formhaltigkeit sowie die Oberflächenqualität des Werkstückes unzulässig beeinflussen.

An der Werkzeugmaschine treten verschiedene Schwingungsarten auf

Auch die Produktivität einer Werkzeugmaschine wird durch das Auftreten von Vibrationen eingeschränkt, wenn die maximale Wirkleistung (als nutzbarer Anteil der installierten Maschinenleistung) dadurch nicht voll genutzt werden kann. Dies ist beispielsweise darauf zurückzuführen, dass eine einwandfreie Bearbeitungsqualität (geforderte Rautiefe, rattermarkenfreie Oberfläche) häufig nur mit geringerem Zeitspanungsvolumen und damit geringerem Leistungseinsatz der Maschine möglich ist. Kann ein Werkstück, welches durch bestimmte Qualitätsanforderungen gekennzeichnet ist, infolge mangelnder Produktivität der Maschine nicht in einer angemessenen Zeit gefertigt werden, ist die wirtschaftliche Nutzung einer Maschine fraglich.

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Es können verschiedene Schwingungsarten am schwingungsfähigen System Werkzeugmaschine auftreten (Bild 2). Man unterscheidet grob zwischen fremderregten, das heißt erzwungenen oder freien Schwingungen, sowie selbsterregten Schwingungen. Bei einer Impuls- oder Sprunganregung schwingt beispielsweise das Maschinensystem bevorzugt mit seinen Eigenfrequenzen aus (freie Schwingungen), wobei die Schwingungsamplituden exponentiell in Abhängigkeit der Dämpfung abklingen (Bild 3).

Bearbeitungsprozess der Maschine erzeugt Schwingungen

Der Schutz einer Maschine vor Baugrunderschütterungen und den dadurch verursachten Schwingungen des Fundamentes, welche die Maschinenstruktur zu Schwingungen mit den untersten Eigenfrequenzen anregen, ist sehr wichtig. Hier schaffen die Isoloc-Maschinenlagerungssysteme Abhilfe. Eine elastische, gedämpfte Aufstellung ist eine sehr wirksame und einfache Möglichkeit, die Schwingungen der Maschinenstruktur zu reduzieren.

Aufgrund der dynamischen Anregungskräfte durch den Bearbeitungsprozess oder Schlittenbeschleunigungen kommt es zu Schwingungen des Gesamtsystems Werkzeugmaschine. Die geforderten hohen Eilgang- und Vorschubgeschwindigkeiten, insbesondere bei kurzen Positionierbewegungen, können allerdings nur dann erreicht werden, wenn das Beschleunigungsvermögen der Antriebe ausreichend hoch ist. Neben dem KV-Faktor (Maß für die Geschwindigkeitsverstärkung) kommt der einstellbaren Ruckbegrenzung eine wesentliche Rolle in Bezug auf die Dynamik eines Vorschubantriebes zu. Das Beschleunigungsvermögen wird in der Regel durch den erreichbaren Ruck, das heißt die zeitliche Änderung der Beschleunigung, in Verbindung mit der zu beschleunigenden Masse gekennzeichnet. Der Ruck ist demnach die produktivitätsbestimmende Größe (schnelleres Erreichen der maximalen Beschleunigung und damit der maximalen Geschwindigkeit). In der Praxis muss der maximal durch die Antriebsleistung erreichbare Ruck und damit die erreichbare Beschleunigung und Geschwindigkeit, aber häufig begrenzt werden, da es zu einer Anregung von Eigenschwingungen der Maschinenstruktur im unteren Frequenzbereich kommt.

Die Aufstellung einer Werkzeugmaschine ist eine wichtige Konstruktionsaufgabe

Die Gestaltung der Aufstellungsbedingungen hat einen erheblichen Einfluss auf das dynamische Verhalten an der Wirkstelle (TCP) der Maschine. Besonders zeigt sich dies bei einer straffen Reglereinstellung an dem Überschwingverhalten der Vorschubachsen. Aufgrund von veränderten Eigenschwingungsformen kann jedoch, mit entsprechend dimensionierten Aufstellelementen, das dynamische Verhalten der Maschine positiv beeinflusst werden.

Die Firma Isoloc Schwingungstechnik verfügt über umfangreiche Erfahrungen bei der Optimierung von Werkzeugmaschinen bei vielen namhaften Herstellern. Am Beispiel von 150 bis 400 kN starken Fünf-Achs-Horizontal-Bearbeitungszentren kann gezeigt werden, welche Ergebnisse sich durch den Einsatz von Isoloc-Maschinenlagerungssystemen mit hochdämpfenden Elastomeren im Vergleich zu der noch häufig anzutreffenden, starren, mit dem Fundament verankerten, Aufstellung erzielen lassen. Bei den gedämpften Maschinen wurde eine Steigerung des KV-Faktors um 300 % erzielt und der Ruck mehr als verdreifacht (Bilder 4a und b). Neben der freien, unverankerten und schwingungsisolierten Aufstellung, die schon eine erhebliche Verbesserung der Montage- und Aufstellbedingungen für den Hersteller und den Kunde) bringt, konnte die Produktivität deutlich gesteigert werden.

Die Einsparpotenziale liegen über 100.000 Euro

Ein weiteres Beispiel aus der Praxis zeigt, welches Potenzial in einer richtig ausgelegten Aufstelltechnik liegt. Bei der Integration von Dreh-Fräszentren (Bild 5) in die Produktionslinien eines mehr als 180 Werkzeugmaschinen umfassenden Maschinenparks war eine Empfängerisolation vorgesehen, weil durch die Umgebungseinflüsse und Schwingungsimmissionen Frequenzen auftraten, die den Fertigungsprozess erheblich störten. Die geforderte Oberflächengüte der Werkstücke bei den Dreh-Fräszentren konnte so nicht erreicht werden.

Als Lösung kam das Isoloc-Maschinenlagerungssystem vom Typ Multidam MD+UMS8-ASF (Bild 1) zum Einsatz. Damit wurden folgende Ergebnisse erzielt:

  • Schutz der Maschinen vor den Schwingungsimmissionen der Dreh-Fräszentren durch Empfängerisolation.
  • Reduktion der Schwingbewegungen zwischen Werkzeug und Werkstück.

Die Verbesserung der Oberflächenrauheit (Ra-Wert) der auf den Dreh-Fräszentren gefertigten Werkstücke betrug bis zu 0,2. Der normalerweise nachfolgende Schleifvorgang und die Anschaffung einer dafür erforderlichen Schleifmaschine konnten entfallen.

Weniger Ausfälle und Reparaturen

Die Aufstellung von hochwertigen Maschinen auf hochwertigen, langlebigen Produkten wie den Isoloc-Maschinenlagerungssystemen führt in der Regel zu weniger Ausfällen und somit auch zu weniger Reparaturen und geringeren Werkzeug- und Wartungskosten. Eine Amortisation wird innerhalb kürzester Zeit erreicht.

Alle diese Punkte – die Verbesserung der Produktivität durch Erhöhen von Ruck und Kv-Faktor, die Reduzierung von Eigen- und Fremdschwingungen der Maschine, die mit einem minimalen Einsatz an Material, Zeit und Kosten erreicht werden – wirken sich letztendlich positiv auf die Total Cost of Ownership (TCO) und das Life Cycle Costing (LCC) aus.

Die höhere Produktivität verringert die Stückkosten durch Reduzierung der Fertigungszeit. Der geringerere Verschleiß beeinflusst die Werkzeug-, Wartungs- und Instandhaltungskosten. Die höhere Oberflächengüte hat Einfluss auf Fertigungsqualität und Prozesssicherheit sowie auf Inbetriebnahme und Prüfkosten, eventuell bis hin zur Einsparung aufwendiger Sonderwerkzeuge. MM

* Uwe Schürrle ist Geschäftsführer der Isoloc Schwingungstechnik GmbH in 70499 Stuttgart

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