Linearführung Mit hydrostatischer Kompaktführung Schwingungen dämpfen

Werkzeugmaschinen werden aufgrund hoher dynamischer Prozesskräfte zum Schwingen angeregt, was sich auf die Oberflächenqualität sowie den Werkzeugverschleiß auswirkt. Dämpfer aber bedeuten entweder zusätzliche Masse oder stellen einen hohen regelungstechnischen Aufwand dar. Mit der Entwicklung einer hydrostatischen Kompaktführung wurden nun die Dämpfungseigenschaften der Hydrostatik mit der Kompaktheit von Profilschienenführungen kombiniert.

Anbieter zum Thema

Lenord, Bauer & Co. GmbH

ACE Stoßdämpfer GmbH

FAULHABER Antriebssysteme

Schaeffler Technologies AG & Co. KG GB Lineartechnik

Klassische Zielsetzungen von Werkzeugmaschinenproduzenten sind Produktivitätssteigerung, das Senken der Fertigungskosten bei gleichzeitiger Optimierung der Bauteilgenauigkeit und der Oberflächenqualität. Gleichzeitig sollen durch modulare Bauweise die Teilevielfalt eingegrenzt, die Teilekosten optimiert und die Flexibilität hinsichtlich Stückzahl und Technologie bei neuen Teilespektren noch weiter ausgeweitet werden.

Durch deutliche Entwicklungssprünge in der Bearbeitungsgeschwindigkeit werden jedoch die Maschinen höher belastet, was eine ausreichende Steifigkeit und Spindeldrehzahl erfordert. Die dynamische und statische Steifigkeit, resultierend aus der Gestaltung und Form der einzelnen Maschinenkomponenten sowie die regelungstechnische Ansteuerung der Antriebskomponenten legen den Grundstein für die Performance einer Werkzeugmaschine.

Maschinenstruktur schwingt mit

Die Genauigkeit einer Werkzeugmaschine definiert sich durch geometrische und kinematische Abweichungen von einer vorgegebenen Arbeitsbewegung am Tool-Center-Point (TCP), die durch statisch und dynamisch wirkende Prozesskräfte hervorgerufen werden. Während statische Prozesskräfte, wie beispielsweise Werkstückgewichte, Auswirkungen auf die geometrische Genauigkeit des Werkstücks haben, regen dynamische Prozesskräfte die Werkzeugmaschine zum Schwingen an. Dies kann sich, wenn eine Eigenfrequenz der Maschinenstruktur angeregt wird, ungünstig auf das Bearbeitungsergebnis und des Werkzeugverschleiß auswirken. Hierbei offenbart sich ein Nachteil der Wälzführungen: die fehlende Dämpfungseigenschaft.

Auf Grund der endlichen Steifigkeit der Werkzeugmaschine und der unvermeidbaren Schwankungen der Schnittkräfte bei spanender Bearbeitung lassen sich selbsterregte Schwingungen wie regeneratives Rattern nicht vermeiden. Ebenso treten häufig Anregungen durch Messereingriffsstöße oder unterbrochenen Schnitt auf.

Während sich die statischen Steifigkeiten bzw. die daraus resultierenden Verlagerungen der Bauteile bei Kraftbeaufschlagung relativ einfach und genau berechnen lassen, treten bei der Ermittlung der dynamischen Steifigkeit viele Faktoren auf, die schlecht abgeschätzt werden können. Gerade die unbekannten Dämpfungseinflüsse der Koppelstellen führen zu erheblichen Abweichungen zwischen Berechnung und Realität.

Squeezefilm dämpft nicht immer

Dies führt unter Umständen dazu, dass die Maschine nachträglich „getunt“ werden muss, um die Abnahmebedingungen zu erfüllen. Realisierbar wird dies mit dem Dämpfungselement RUDS, das bereits vor 20 Jahren auf Basis des Squeezefilmdämpfers entwickelt wurde. Dieser Dämpfertyp ist jedoch nur bei Relativbewegungen senkrecht zur Verfahrachse und an Orten größter Elongation effektiv.

Der Schwingungsmode des kritischen Arbeitspunktes muss also bekannt sein, um das Dämpfungselement RUDS richtig zu platzieren. Aus durchgeführten Modalanalysen ist bekannt, dass „Verfahrschwingungen“ von Achsen einen nicht unerheblichen Anteil an den auftretenden Schwingungsmodien haben, weil die Steifigkeiten von Antriebsspindeln bzw. deren Anbindung an die Umgebungskonstruktion nicht ausreicht. In diesen Fällen ist der Squeezefilmdämpfer RUDS wirkungslos. Mit Erhöhen der statischen Steifigkeit der Bauteile oder der Führungselemente wird die Anregung lediglich in einem bestimmten Arbeitspunkt der Maschine verhindert.

Dämpfungssysteme können Eigenfrequenz entwickeln

Eine weitere Möglichkeit, Schwingungen in Werkzeugmaschinen zu reduzieren, liegt darin, ein aktives oder passives Dämpfungssystem in das Werkzeug bzw. an die Maschinenstruktur zu applizieren. Während bei passiven Dämpfern meist Zusatzmassen über Feder-Dämpferelemente an das schwingende Bauteil angekoppelt werden und die Schwingungsenergie in Reibungswärme umwandeln, wird bei aktiven Dämpfern Fremdenergie phasenverschoben eingeleitet.

Die einfachste Form, bei der eine Zusatzmasse über eine Feder angekoppelt wird, reduziert zwar die Eigenfrequenz des kompletten Systems, initiiert aber gleichzeitig auf Grund einer zusätzlichen Masse eine weitere Eigenfrequenz. Eine Zusatzmasse über ein Feder-Dämpfer-Element (Hilfsmassendämpfer) erzeugt zwar auch eine zusätzliche Eigenfrequenz, jedoch liegen die Amplituden auf einem deutlich niedrigeren Niveau. Zusatzmassen, welche über ein reines Dämpfungsglied angekoppelt werden (Lanchester-Dämpfer) induzieren keine zusätzliche Eigenfrequenz und reduzieren die Schwingungsamplitude deutlich. Aktive, geregelte Dämpfer können über den kompletten Arbeitsbereich wirken.

Dämpfungseigenschaften und Kompaktheit kombiniert

Aufgrund des genormten Bauraumes, der integrierten Abdichtung, der hohen Leistungsdichte, der hohen Steifigkeit, der Spielfreiheit und hohen realisierbaren Geschwindigkeiten werden zur Lagerung der Achsen in der Regel Profilschienenführungen verbaut. Deshalb stellte sich INA-Lineartechnik die Aufgabe, die Vorteile der Profilschienenführungen, wie Kompaktheit, Standardbauraum und Standardanschlussmaße, mit den hervorragenden Dämpfungseigenschaften der hydrostatischen Führung zu kombinieren, um eine hydrostatische Kompaktführung herzustellen, die in den Anschlussmaßen und im Lichtraumprofil gegen eine Profilschienenführung austauschbar ist.

Bereits auf der EMO 2005 konnte eine erste Studie der hydrostatischen Kompaktführung vorgestellt werden und mittlerweile hat sich das System in zahlreichen internen Tests bewährt. Der Tragkörper ist mit einer Rundum-Abdichtung ausgestattet, die verhindert, dass das am Druckspalt überfließende Öl nach außen gelangt. An der Absaugseite wird das drucklose Öl zurückgeführt. Ziel ist es, dem Kunden eine einbaufertige Einheit zu liefern, wobei die hydraulische Steuerung (Drosselblock) im Kopfstück integriert und werksseitig justiert ist.

Beim Kunden kann das gelieferte Produkt eine Profilschienenführung gleicher Größe ersetzen, während die übrigen Achsen nach wie vor mit Profilschienenführung ausgestattet bleiben. In Hybridmaschinen lassen sich je nach Kundenanforderung Wälzführungen und hydrostatische Kompaktführungen kombinieren. Zur EMO 2007 wird der Hersteller die erste Serie mit der Baugröße 45 in den Markt einführen.

Ralf Moseberg ist Leiter Anwendungstechnik im Geschäftsbereich Lineartechnik in Homburg/Saar

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