Neuartiges Dämpfungselement zur Verbesserung des dynamischen Verhaltens von wälzgelagerten Werkzeugmaschinenspindeln
Final Report Abstract
Während statische und thermoelastische Verlagerungen bei spanenden Werkzeugmaschinen Form- und Maßfehler am Werkstück hervorrufen, beeinflusst die dynamische Steifigkeit der Maschine die Oberflächenqualität des Werkstücks. So schränkt das Auftreten von Schwingungen die Produktivität einer Werkzeugmaschine ein, da die geforderten Bearbeitungsqualitäten meist nur mit geringeren Zeitspanvolumina erreicht werden können. Eine unzureichende dynamische Steifigkeit kann zudem zu einem instabilen Bearbeitungsprozess führen. Zur Steigerung der Prozessstabilität ist es von großem Interesse, die dynamische Nachgiebigkeit der Hauptspindel als zentrales Element im Kraftfluss einer Werkzeugmaschine gezielt zu verbessern. Bei wälzgelagerten Spindeln ist dies aufgrund schlechter Dämpfungseigenschaften der Lager erforderlich. Insbesondere bei der HSC-Bearbeitung mit hohen Drehzahlen wird die Prozessstabilität entscheidend vom Nachgiebigkeitsverhalten des Spindel-Lager-Systems in Verbindung mit dem Werkzeug bestimmt. Die dynamische Nachgiebigkeit der Maschinenstruktur ist hier von untergeordneter Bedeutung. Die im Rahmen des Forschungsvorhabens entwickelte neuartige dämpfende Lageraufnahme als autonomes Maschinenelement stellt eine Kombination aus einem Squeeze-Film-Dämpfer und einer federnden Aufhängung dar. Die Dämpfung findet in einem mit dem flüssigen Medium gefüllten geschlossenen Raum statt, so dass eine externe Fluidversorgung der Lageraufname entfällt. Die Entwicklungen wurden mit Hilfe einer vorhandenen Spindeleinheit mit HSK 63 Werkzeugschnittstelle verifiziert. Auf Basis der experimentellen Untersuchungen wurden die optimalen Werte für die radiale Steifigkeit und der Dämpfungskoeffizient der Lageraufnahme ermittelt. Weiter wurden die optimalen Parameter der federnden Aufhängung simulativ und des dämpfenden Spaltes analytisch ermittelt. Die Lageraufnahme wurde abschließend auf einem Prüfstand in Kombination mit der Spindeleinheit expenmentell untersucht. Als nächster Schritt der Entwicklungen sollte der Einfluss der passiven dämpfenden Lageraufnahme auf die Prozessstabilität sowie ihre Betriebszuvertässigkeit mit Hilfe umfangreicher Bearbeitungstests untersucht werden. Auch der Aufbau selbst bietet noch Vereinfachungs- bzw. Kostensenkungspotential, beispielsweise durch Ersetzen des elastischen Elements als Einzelteil durch eine Schweißkonstruktion und Austausch der Metall-Gummi-Deckel mit anvulkanisierten Gummischeiben durch Metallringe mit einzelnen Gummischeiben. Die entwickelte passive dämpfende Lageraufname kann in unterschiedlichen Bereichen des Maschinenbaus angewandt werden, beispielweise im Turbinenbau, bei der Entwicklung von Zentrifugen und überall, wo die Schwingungs- bzw. Stabilitätsprobleme schnell drehender wälzgelagerter Wellen auftreten.
