Instationäres thermoelastisches Verhalten von Vorschubachsen mit bewegtem Wälzkontakt

Laufzeit:	10/1999 – 09/2003
Finanzierung:	DFG
Bearbeiter:	Dr.-Ing. Holger Arndt Dr.-Ing. Günter Jungnickel

Zielstellung

Translatorische Vorschubachsen in Werkzeugmaschinen werden vorwiegend mit Kugelgewindetrieben aufgebaut. Die Kugelgewindetriebe sind wesentliche Wärmequellen und beeinflussen somit das thermische Verhalten der Maschine. In Verbindung mit einer indirekten Wegmessung bestimmen sie entscheidend die Positioniergenauigkeit der Achse; das Reibungs- und Steifeverhalten bestimmt die Bewegungsqualität. Die Größen Reibung, Steife und Wärmeübertragungsvermögen sind über die Vorspannung des Wälzkontaktes gekoppelt und hängen damit von der Temperatur ab.

Ziel des Vorhabens ist die simulative Abbildung dieser komplexen Zusammenhänge und ihrer Auswirkungen auf die Genauigkeit von Vorschubachsen mit Kugelgewindetrieb für vergleichende Untersuchungen. Die Ergebnisse dienen einer verbesserten Vorhersage des thermischen Verhaltens mittels Simulation sowie der modellbasierten Korrektur thermischer Fehler in Werkzeugmaschinen.

Lösungsweg

Die Untersuchung des thermischen Verhaltens von Vorschubachsen mit Kugelgewindetrieb in den unterschiedlichsten Konfigurationen und Einsatzfällen, eine Einflussanalyse wesentlicher Gestaltungsparameter und die Ableitung von Konstruktionshinweisen erfordert die Einbeziehung der Simulation. Die Modelle zur thermischen Simulation müssen die Temperatur-, Geschwindigkeits- und Belastungsabhängigkeiten der Verlustleistungen und Parameter sowie Änderungen der Modellstruktur berücksichtigen, wie sie sich beim Verfahren der Vorschubachse ergeben. Die Modelle sind um die thermische und elastische Verformungsberechnung, die Steifeermittlung und um Aussagen zur Genauigkeit der Achse zu erweitern. Zum Aufbau solcher Modelle sind viele Einzelfragen zu lösen. Die erarbeiteten Ansätze werden versuchstechnisch überprüft.

Ergebnisse

In der ersten Phase des Forschungsvorhabens wurden elementare und einfach parametrierbare Modellansätze zur Reibungs- bzw. Verlustleistungsentstehung und Wärmeübertragung am Wälzkontakt aufgebaut und durch Versuche an einem Wälzlager-Prüfstand bestätigt. Daraus ließen sich entsprechende Beziehungen für den Kugelgewindetrieb ableiten.

fo-wälzkontakt-1 — Bild 1: Vorschubachsprüfstand mit Kugelgewindetrieb

Für deren Überprüfung und für allgemeine Untersuchungen wurde ein spezieller Vorschubachs-Prüfstand nach Bild 1 entwickelt. Der Prüfstand besitzt integrierte Messmöglichkeiten und erlaubt den Aufbau unterschiedlicher konstruktiver Ausführungen der Achse sowie die Einstellung verschiedener Parameter. Die Validierung von Modellparametern erfolgt anhand eines Versuchsstandmodells, welches entsprechend den Versuchsabläufen betrieben wird.

fo-wälzkontakt-2 — Bild 2: Knotenpunktmodell eines Vorschubachsprüfstandes

Bild 2 zeigt das zugehörige thermische Knotenpunktmodell. Dieses Modell bildet die Grundlage für den Aufbau eines verallgemeinerten und umfassenden Simulationsmodells für Vorschubachsen mit Kugelgewindetrieb für die geplanten Untersuchungen. Dieses Modell wird konfigurierbar und entsprechend den Kenngrößen von Kugelgewindetrieben parametrierbar ausgeführt.