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maschine+werkzeug 04/2012

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Energieeffizient zerspanen

Thermo-Elastizität – Für eine thermo-energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen forschen Wissenschaftler aus Dresden, Chemnitz und Aachen zur Lösung des Zielkonfliktes von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität am Beispiel spanender Fertigung.

System-Simulationsmodell für das Gesamtsystem aus Maschine, Baugruppen-Werkzeug, Prozess, Antriebs- und Kühlsystemen und Umgebung.

Die spanende Bearbeitung nimmt gegenwärtig und zukünftig in der Herstellung einer Vielzahl von Bauteilen und Baugruppen des Maschinen-, Anlagen- und Fahrzeugbaus sowie auch der Elektroindustrie eine zentrale Stellung ein. Zugleich weisen die Genauigkeitsanforderungen an Fertigungsprozesse der Metall- und Elektroindustrie deutliche Steigerungsraten auf.

Die inzwischen gute Beherrschung der statischen Auslegung von Maschinenstrukturen und die fortgeschrittene Servotechnik von Vorschubachsen tragen zur Präzision von Bahnbewegungen bei. Das heute verbleibende Problem für die in der spanenden Bearbeitung erzielbare Genauigkeit der Werkstücke sind thermo-elastisch verursachte Fehler.

Im Rahmen des von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Sonderforschungsbereich/Transregio 96 werden Maßnahmen erforscht, die in die thermo-elastische Wirkungskette eingreifen, um die Wirkung thermo-elastischer Verformungen zu reduzieren. Diese lassen sich zusammenfassen in die Kompensation thermischer Wirkungen und die Korrektur thermo-elastischer Verformungen. Der SFB/TR 96 ist für eine Laufzeit von zwölf Jahren angelegt und zunächst von Juli 2012 bis Juni 2015 bewilligt. Er vereint Forschungskompetenzen der TU Dresden, der TU Chemnitz, des Fraunhofer-Instituts für Werkzeugmaschinen und Umformtechnik Chemnitz, der RWTH Aachen und der Fraunhofer-Instituts für Produktionstechnologie Aachen in den Feldern Werkzeugmaschinenentwicklung, Mathematik, Thermodynamik, Informatik, Elektrotechnik, Fluidtechnik und Wirtschaftswissenschaft.

Die für Produktivitätssteigerungen notwendigen höheren Mengenleistungen erfordern größere Haupt- und Vorschubantriebsleistungen, die zu ebenfalls wachsenden Wärmeströmen führen. Dadurch kommt es zu einer Zunahme thermo-elastischer Verformungen der Maschinenstruktur. Liegen die Verlustleistungen nicht hinreichend gleichmäßig an, so nimmt der thermo-elastische Verformungszustand einen stark instationären Charakter an. Dieser Effekt schlägt sich zwangsläufig in Maß- und Formabweichungen am Werkstück nieder. Aktuell kann von einem thermo-elastisch verursachten Anteil an den Werkstückfehlern von circa 50 bis 80 Prozent ausgegangen werden.

Konventionelle und heute weit verbreitet praktizierte Maßnahmen zur Verringerung thermo-elastisch verursachter Fehler am Werkstück zielen in der Regel auf das Erzwingen eines thermischen Beharrungszustandes durch das möglichst gleichmäßige Einbringen von (Verlust-)Leistungen oder durch die Gewährleistung konstanter Randbedingungen. Es sind Maßnahmen wie der Dauerbetrieb thermisch stabilisierender Hydraulik- und Kühl-Schmiermittel-Kreisläufe auch in Leerlauf-Prozessfenstern, wie die Temperierung von tragenden Strukturbereichen der Werkzeugmaschinen mittels rückzukühlender Fluide sowie Klimatisierungsmaßnahmen ganzer Fertigungsbereiche. Die technologisch vorgegebenen instationären Einflüsse aus der Prozesscharakteristik werden mit hohem energetischen Aufwand überdeckt.

Diese konventionellen Ansätze sind mit zusätzlichen Verlustleistungen verbunden, erhöhen damit den Energieverbrauch signifikant und belasten die Kostenseite der spanenden Fertigung überproportional. Ein erheblicher Anteil des Leistungsbedarfs in Werkzeugmaschinen wird heute – bewusst oder unbewusst – durch Dauerbetrieb auch zur thermischen Stabilisierung verwendet. Dieser Weg kann daher weder unter Kosten- noch unter Nachhaltigkeitsgesichtspunkten unbegrenzt weiter verfolgt werden. Momentan werden zum Beispiel energieeffiziente Antriebe mit verbesserten Wirkungsgraden entwickelt.

Parallel wird daran gearbeitet, Energieeinsparungen zusätzlich durch den Verzicht auf den Dauerbetrieb wesentlicher Verbraucher zu erreichen. Einsparungspotenzial besteht bei Ansätzen wie Intervallbetrieb, Verzicht auf Flutung der Wirkstelle und des Arbeitsraumes mit Kühlschmierstoff oder Abschalten von Verbrauchern in Leerlauf-Prozessfenstern und im Stand-by-Betrieb. Allerdings führen diese Ansätze zum Teil aufgrund der permanenten Störung des thermischen Gleichgewichts tendenziell zu zunehmenden thermo-elastisch verursachten Fehlern.

Bei der Kompensation thermischer Wirkungen geht es um eine Verminderung der Entstehung thermo-elastischer Verformungen durch Beeinflussung der Wärmeströme beziehungsweise der Temperaturverteilung. Im Einzelnen wird die Minimierung des Wärmeeintrags durch thermo-energetische Motoroptimierung und Optimierung des fluidtechnischen Systems betrachtet. Zur Homogenisierung des Temperaturfeldes wird die Erhöhung der thermischen Trägheit von Gestellen durch zusätzliche thermische Speicher und schaltbare Wärmebrücken erprobt.

Bei der Korrektur thermo-elastischer Verformungen wird die Fehlerwirkung im Betrieb der Werkzeugmaschine durch Berechnung oder Messung bestimmt und durch inverse Aufschaltung stets aktualisierter Offsets auf die Lagesollwerte vorhandener Vorschubachsen ausgeglichen. Verschiedene messtechnisch oder modellgestützte Verfahren werden hinsichtlich ihrer Eignung für unterschiedliche Anwendungsfälle betrachtet. Erprobt wird die Korrektur auf Grundlage direkter messtechnischer Erfassung thermo-elastischer Verformungen während der Werkstückbearbeitung durch ein integriertes Sensorsystem oder optische Messverfahren, aus denen die Korrekturdaten ermittelt werden.

Pragmatische Lösungen versprechen korrelative Modelle, also in thermischer Echtzeit ausführbare Korrekturmodelle auf Basis von Kennfeldern, die aus einer Datenbasis gewonnene Regressionsbeziehungen zwischen ausgewählten Temperaturmesspunkten und der thermo-elastischen Verformung abbilden. Wendet man eigenschaftsbasierte Modelle an, so wird man eine erweiterte Prozessvariabilität berücksichtigen können.

Bei in thermischer Echtzeit ausführbaren strukturmodellbasierten Korrekturmodellen können prinzipiell beliebige Maschinenkonfigurationen und Bewegungsregimes und damit Lastverteilungen sowie sich ergebende veränderliche Kopplungen der Baugruppen abgebildet werden.

Für die Gestaltung von Kompensationslösungen, die Bewertung des thermo-elastischen Verhaltens und für die Korrektur thermo-elastischer Fehler im Betrieb von Werkzeugmaschinen wird ein System-Simulationsmodell für das Gesamtsystem aus Maschine, Baugruppen-Werkzeug, Prozess, Antriebs- und Kühlsystemen und Umgebung erarbeitet.

Weitergehende Forschungsarbeiten sind darauf gerichtet, das zugrunde liegende thermo-elastische Modell zu reduzieren und rechenzeitsparend ausführbar zu machen. Das unterstützt die Ausführung von Echtzeitanwendung für die Korrekturverfahren auf den praxisüblichen Steuerungen von Werkzeugmaschinen.

http://transregio96.de

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