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antriebstechnik 1-2/2017

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Analyse des thermischen

Analyse des thermischen Verhaltens von Profilschienenführungen Bei Vorschubachsen von Werkzeugmaschinen mit serieller Kinematik wird häufig auf Wälzführungen in Form von Profilschienenführungen zurückgegriffen, weshalb die Kenntnis des thermo-elastischen Verhaltens dieser Maschinenkomponenten für den Aufbau eines aussagekräftigen Prognosemodells von elementarer Bedeutung ist. Das thermo-elastische Verhalten von Werkzeugmaschinen stellt einen wichtigen Bestandteil bei deren Auslegung dar. Im Fokus des Sonderforschungsbereichs Transregio 96 „Thermo-energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen“ steht die Erforschung und Umsetzung von wirksamen Korrektur- und Kompensationslösungen, die zur spanenden Genauigkeitsbearbeitung unter den zukünftigen Bedingungen energieeffizienter Fertigung befähigen [1]. Das Teilprojekt B03 „Komponenten- und Baugruppenuntersuchung“ konzentriert sich auf die Untersuchung des thermo-elastischen Verhaltens von Werkzeugmaschinenkomponenten sowie ‐baugruppen und sieht die Entwicklung von Prognosemodellen zur Berechnung der thermisch bedingten Strukturverformungen in Abhängigkeit von messbaren physikalischen Größen vor. In diesem Zusammenhang werden Vorschubachsen und deren Einzelkomponenten, unter anderem Profilschienenführungen, untersucht. Abhängig vom Anwendungsfall werden Profilschienenführungen in Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher ist Direktor am Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen; Kolja Bakarinow, M.Sc., ist Mitarbeiter am Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen; Dipl.-Ing. Stephan Neus ist Gruppenleiter am Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen; Dr.-Ing. Marcel Fey ist Oberingenieur am Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen; Alexander Steinert ist Mitarbeiter am Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen; Janis Ochel ist Mitarbeiter am Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen unterschiedlichen Ausführungen (Baugröße, Vorspannklasse) eingesetzt. Die Bauteilgeometrie und jeweilige Maschinenkinematik führen häufig zu einem transienten Betrieb. Die Bestimmung des transienten Wärmeeintrags stellt sich dabei als komplex heraus und kann mit bisherigen Methodiken nur unzureichend vorhergesagt werden. Einerseits steht deshalb die Evaluierung verschiedener Einflussfaktoren auf das Reibverhalten und damit letztlich auch auf das thermische Verhalten von Profilschienenführungen im Vordergrund. Hierzu sollen folgende Einflussgrößen betrachtet und variiert werden: n Externe Belastung des Führungssystems n Vorspannklasse n Betriebstemperatur n Abstreifer n Baugröße n Schmierstoff Andererseits soll geprüft werden, inwiefern das sich im Betrieb einer Profilschienenführung einstellende Temperaturfeld auf Basis der Reibkräfte prognostiziert werden kann. Dazu soll ein aussagekräftiges Prognosemodell entwickelt werden, welches das entsprechende Reibverhalten der untersuchten Profilschienenführungen als Wärmelast beinhaltet und mit dessen Hilfe eine Prognose für weitere Anwendungsfälle getroffen werden kann. Verwendeter Prüfstand Für die Untersuchung von Profilschienenführungen steht ein Prüfstand bereit, der zur Minimierung der Umgebungseinflüsse in einer klimatisierten Zelle mit einer Umgebungstemperaturschwankung von ± 0,5 K untergebracht ist. 60 antriebstechnik 1-2/2017

LINEARTECHNIK 01 Aufbau des Prüfstands 02 Abhängigkeit der Reibkraft von der Komponententemperatur Der Prüfstand besteht im Wesentlichen aus einem länglichen Maschinenbett, einem darauf mittig befestigten Träger sowie einer Verfahreinheit, welche den Vorschub realisiert. Diese wird durch einen Linearmotor angetrieben und auf zwei dauergeschmierten Profilschienenführungen geführt. Die einachsig verfahrbare Anlage ist für die Untersuchung von Profilschienenführungen von bis zu 3 m Länge ausgelegt. Im Zuge der durchzuführenden Versuche werden sowohl an der Unterseite, als auch an der Oberseite des Trägers je eine Profilschiene montiert. Zur Realisierung einer externen Belastung werden der obere und der untere Schuh über zwei seitlich angebrachten Platten miteinander verbunden. Zur Messung der externen Last ist auf einer Platte ein Dehnungsmessstreifen appliziert, mit dem die vorherrschende Kraft an den Schuhen eingestellt werden kann. Die Reibkraft der Profilschienenführung wird über einen piezo-elektrischen Kraftsensor gemessen, welcher den oberen Führungsschuh mit der Antriebseinheit verbindet. Somit wird die der Verfahrbewegung entgegen gerichtete Widerstandskraft gemessen, welche durch die Reibung innerhalb der Komponente bestimmt wird. Dabei wird lediglich die Gesamtreibkraft der Komponente ermittelt. Eine Unterteilung in ihre Anteile hinsichtlich der beiden Laufflächen ist mithilfe dieses Versuchsaufbaus allerdings nicht möglich. 03 Vergleich der Baugrößen Verlauf aufweist, der sich aus dem Zusammenspiel verschiedener Reibphänomene zusammensetzt. Bei der Aufnahme der Reibkraft wird auf einen piezo-elektrischen Kraftsensor zurückgegriffen, dessen absoluter Fehler folgendermaßen angegeben wird [2]: Messprinzip und Messtechnik Profilschienenführungen werden in den meisten Fällen in einem instationären Zustand betrieben, weshalb der entstehende Wärmeeintrag als Funktion der Vorschubgeschwindigkeit bekannt sein muss. Dieser Wärmeeintrag ergibt sich aus der Reibleistung der Profilschienenführung, welche das Produkt aus Reibkraft F R und Vorschubgeschwindigkeit v f entspricht, Gleichung 1. Die Reibkraft einer Profilschienenführung ergibt sich aus einer Überlagerung von Rollreibung, Gleitreibung, Schmierstoffreibung und Dichtungsreibung und ist daher geschwindigkeitsabhängig. Da kein ganzheitlicher theoretischer Berechnungsansatz existiert, muss auf praktische Versuche zurückgegriffen werden. Die Darstellung der gemessenen Reibkraft über der Geschwindigkeit ergibt eine sogenannte Stribeck-Kurve, welche einen charakteristischen Der maximale Fehler des DMS, über den die Last eingestellt wird, ergibt sich zu [3]: Aufgrund der Lastabhängigkeit der Reibkraft kommt es bei der Gesamtunsicherheit zu einer Fehlerfortpflanzung. Unter der Annahme, dass die Reibkraft dem Coulomb’schen Gesetz folgt und somit proportional der Last ist, ergibt sich die Gesamtunsicherheit zu 1,35 %. Neben den Kraftmessungen werden zudem Dauerversuche durchgeführt, die der Validierung des Prognosemodells dienen. Im Zuge dessen wird der zeitliche Verlauf des Temperaturfelds an charakteristischen Punkten gemessen. Aufgrund der Symmetrie der Profilschiene und des Trägers stellt sich in Querrichtung ein zur antriebstechnik 1-2/2017 61