antriebstechnik 6/2018

Norma Anforderungen an

Norma Anforderungen an numerische CFD-Simulationen für die thermo-energetische Analyse von Kühlstrukturen in Motorspindeln 01 Aufbau von Motorspindeln, nach [14,17,19] Motorverluste Reibungsverluste Über A 1 2 B 3 4 5 6 7 2 C 8 D 9 Fluid- und Kühlsysteme A... Hydraul. Spannsystem B... Statorkühlung C... Lagerkühlung/ -schmierung D... Innenkühlmittelzufuhr 1... Spindelwelle 2... Spindellager 3... Rotor 4... Stator 5... Wickelkopf 6... Statorkühlhülse 7... Gehäuse 8... Werkzeug und -halterung 9... Werkstück Wärmequellen Der Artikel stellt die simulationsgestützte Analyse des thermo-energetischen Verhaltens von Kühlhülsen in Motorspindeln von Werkzeugmaschinen vor. Einleitend werden die Konstruktion von Motorspindelbaugruppen und typische Strömungsführungen in den eingesetzten Kühlhülsen erläutert. Den Schwerpunkt bilden numerische Strömungsanalysen einer einfach und einer doppelt gewendelten Strömungsgeometrie, welche Aussagen zu den thermo-energetischen Austauschprozessen zwischen Fluid und umgebendem Festkörper erlauben. Mit Blick auf die stetig steigenden Anforderungen an die Energieeffizienz, Produktivität und Präzision von Fertigungsprozessen rückt insbesondere das thermo-energetische Werkzeugmaschinen (WZM)-Verhalten in den Fokus wissenschaftlicher Untersuchungen. Thermo-elastische Verformungen der WZM-Struktur führen während des Bearbeitungsprozesses zu einer Verschiebung des Tool Center Points (TCP) und folglich zu Maß- und Formfehlern am Werkstück. Herkömmliche Maßnahmen zielen darauf ab, möglichst stationäre Randbedingungen zu gewährleisten, z. B. durch Aufwärmphasen vor Beginn des eigentlichen Fertigungsprozesses oder die Temperierung ganzer Fertigungsbereiche. Unter Berücksichtigung einer möglichst energieeffizienten Fertigung werden im Sonderforschungsbereich SFB/TR 96 alternative Maßnahmen erforscht, um auch unter thermisch instationären Bedingungen ohne zusätzlichen Energieaufwand eine hohe Fertigungsqualität zu erreichen. Hierfür ist es notwendig, entsprechende Korrektur- und Kompensationsmethoden zur Steuerung der thermo-elastischen WZM- Eigenschaften zu entwickeln. Eine Grundvoraussetzung hierfür ist die systematische Analyse und Charakterisierung der eingesetzten Fluidkühlsysteme. In vorhergehenden Untersuchungen wurde das Kühlsystem eines Fräsbearbeitungszentrums detailliert analysiert. Hierbei konnte gezeigt werden, dass der größte Wärmestrom aus der Hauptspindel abgeführt werden muss [16,17,18]. Konstruktionstechnische Details Dipl.-Ing. Juliane Weber und M. Sc. Linart Shabi sind wissenschaftl. Mitarbeiter am Institut für Fluidtechnik der TU Dresden; Prof. Dr.-Ing. Jürgen Weber ist Hochschullehrer und Inhaber der Professur für Fluid-Mechatronische Systemtechnik und Leiter des Instituts für Fluidtechnik an der TU Dresden Konstruktiver Aufbau von Motorspindelbaugruppen Als Hauptspindeln für die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung (High-Speed-Cutting = HSC) werden vorzugsweise Motorspindeln eingesetzt, da sie direkt durch einen eingebauten Motor angetrieben werden. Aufgrund der hohen Drehzahlen des Werkzeugs und 66 antriebstechnik 6/2018

Fluid Festkörper Domäne ELEKTROMOTOREN 02 Typischer Aufbau von Statorkühlhülsen mit den daraus resultierenden Strömungsvolumina, nach [19,20] 03 Ablaufschema für die Durchführung numerischer Strömungsberechnungen (CFD Computational Fluid Dynamics) Quasi-Seriell Parallel Einfachhelix Doppelhelix Pre-Processing Geometrieaufbereitung Extraktion Fluidvolumen Lösung Problemdefinition Auswahl des Post-Processing Einlesen der Ergebnisdatei(en) Gleichungssatzes Deskretisierung Visualisierung der Feldgrößen u./o. Auftragen Auswahl der integraler Größen Mesh-Datei (z.B. *.cfx5) Interpolationsverfahren Definition • Materialeigenschaften • Rand- und • Anfangsbedingungen Auswahl Ausgabegrößen Definition • Konvergenzkriterien • Zeitschrittweite Berechnung Ergebnisinterpretation Fehlerabschätzung • Gitterunabhängigkeit • Validierung (Experiment) Setup-Datei Ergebnisdatei(en) Ergebnisbericht/ Zusammenfassung 04 Geometrische Parameter und Strömungspfade im Fluid volumen der Einfach- (a) und Doppelhelixstruktur (b), nach [19] a) b) Überschrift bold Normaler Text D W k b k b h D i demzufolge hohen Fliehkräfte ist eine mechanische Kraftübertragung über z. B. Riemen oder Zahnräder ungeeignet. Die Grundstruktur einer Motorspindel mit den Hauptfluidsystemen und Hauptwärmequellen zeigt Bild 01. Die wichtigsten Wärmequellen sind die Spindellager (2), der Motor (bestehend aus Rotor (3), Stator (4) und Wickelköpfen (5)) und der aus dem Prozess resultierende Wärmeeintrag über das Werkzeug (8) und die Spindelwelle (1). Wie in [4] detailliert beschrieben, wird n in Abhängigkeit von Drehzahl und Drehmoment durch den eingebauten Motor aufgrund von Kupfer-, Eisen- und Streuverlusten; n in Abhängigkeit von Drehzahl, Vorspannung und Schmierung durch die Lager; n und aufgrund viskoser Reibung der durch die rotierenden Elemente verwirbelten Luft, Wärme erzeugt. Insbesondere die Motorkühlung stellt einen aktuellen Forschungsschwerpunkt dar. Hierzu ist der Stator in eine Kühlhülse eingepresst, welche an ihrem äußeren Mantel von einer Kühlflüssigkeit umflossen wird. Die Statorkühlhülse selbst besteht aus einem hoch wärmeleitfähigen Material und kann zusätzlich Rippenstrukturen aufweisen um die Wärmeübertragung zwischen Wand und Fluid zu verbessern. Bild 02 zeigt typische Bauformen von Statorkühlhülsen (Festkörper-Domäne) mit den daraus resultierenden inversen Strömungsvolumina (Fluid-Domäne). Experimenteller Versuchsaufbau Zur Validierung der Simulationsmodelle wurde – wie bereits in [14,15,19,20] vorgestellt – ein Prüfstand entwickelt. Eine Anforderung war ein modularer Prüfstandsaufbau, sodass die Kühlhülse zur Untersuchung unterschiedlicher Strömungsgeometrien leicht ausgetauscht werden kann. Im Vergleich zur konventionellen Motorspindelkonstruktion (siehe Bild 01) wurden alle inneren Komponenten wie Spindelwelle (1), Lager (2) und Motor bestehend aus Rotor (3), Stator (4) und Wickelköpfen (5) durch ein sogenanntes Heiz element ersetzt. Das Heizelement selbst besteht aus einem Aluminiumzylinder mit zwei konzentrisch montierten Heizpatronen (mit jeweils 20 mm Durchmesser und 130 mm Länge). Die Leistung kann für jede Heizpatrone separat eingestellt werden. Mit dieser Vereinfachung ist der Wärmeeintrag im Gegensatz zu den meist unbekannten Lagerund Motorverlustwärmeeinträgen über die eingestellte Leistung an den Heizpatronen genau bestimmbar. Darüber hinaus wird der Einfluss äußerer Umgebungsbedingungen durch eine Wärmeisolierung der gesamten Stirnflächen verringert. Der Prüfstand erlaubt somit die Messung der Fluid- und Oberflächentemperaturen verschiedener Statorkühlhülsen unter definierten Randbedingungen: n Die Fluidtemperatur am Einlass wird mithilfe eines Kühlaggregats konstant auf 20 °C gehalten. n Die zugeführte Wärmemenge wird über die Leistung der Heizpatronen eingestellt und entspricht in den hier betrachteten Fällen einer Maximalleistung von P H = 1 400 W pro Heizpatrone. n Der Volumenstrom wird zwischen 0 und 15 l/min über ein Drosselventil variiert und zusätzlich durch einen Turbinendurchflusszähler gemessen. Modellbildung und Simulation Bild 03 fasst die wesentlichen Schritte bei der Erstellung und Lösung numerischer Simulationsmodelle zusammen. Prinzipiell lässt sich der Workflow in drei Hauptphasen untergliedern: Das Pre-Processing, die Lösung und das Post-Processing. Im Pre-Processing liegt ein besonderes Augenmerk auf der Vernetzungsqualität. Es ergeben sich insbesondere bei der Betrachtung turbulenter Strömungen mit antriebstechnik 6/2018 67