Mikroschwingungen, die während der Bearbeitung an der Linearführung auftreten, lassen sich mit modernen Simulationsverfahren berechnen und reduzieren. So entstehen Maschinen, die Top-Teileoberflächen ermöglichen.
Waving Analysis ist ein Simulationsverfahren für Schwingungen an Linearführungen, das bei den Entwicklungskosten massive Einsparpotentiale erschließt und Herstellern von Maschinen neue Perspektiven eröffnet. So erzielen Drehmaschinen, bei deren Entwicklung die Waving Analysis berücksichtigt wurde, bei der Zerspanung eine Oberflächenqualität mit Rautiefen von Rz=0,046 µm. Bei Bearbeitungszentren liegen die derzeit bekannten und reproduzierbaren Rz-Werte bei 0,065 µm.
Die Rauheit der Oberfläche hängt unter anderem von den Schwingungen an den Linearführungen ab. Sie reduzieren beispielsweise die Werkzeugstandzeiten, die Positionsgenauigkeit, die Positionsdynamik und die Oberflächenqualität. Ein wichtiger Einflussfaktor sind die Mikroschwingungen. Wie bei einem Zahnradgetriebe kommt es durch den Wälzkörperumlauf im Wagen der Führung zu einer Steifigkeitsmodulation. Die umlaufenden Wälzkörper werden im Einlauf in die belastete Zone komprimiert und expandieren wieder im Auslauf. Der hierbei entstehende Pulsationseffekt regt den Führungswagen und damit den Tool Centre Point (TCP) mit nicht kompensierbaren Mikroschwingungen an. Bei hochwertigen Präzisionsmaschinen muss hier die Frage nach der Qualität einer Linearführung ansetzen. Deren äußere Abmessungen nach DIN645 sind dann nur noch eine Auswahlhilfe für die Dimensionierung.
Forscher der THK Gruppe haben das dynamische Verhalten in einem Führungssystem analysiert. Auf der Basis ihrer Ergebnisse sowie durch die spezielle Fertigungstechnologie, die für die Herstellung der Führungen eingesetzt wird, erhält der Kunde ein spezifisches Führungssystem, dessen Mikroschwingungen reduziert und auf seine Anwendung und Anforderung abgestimmt sind.
Um die Anpassungen im Führungssystem nachzuvollziehen, ist es wichtig zu wissen, dass ein lineares Kugelführungssystem eine Einheit ist, bei der die lineare Führung eines Maschinentisches beispielsweise mit zwei Führungsschienen und je zwei Führungswagen realisiert wird. In dieses System werden in der Maschine Kräfte und Kraftmomente eingeleitet, unter welchen der Maschinentisch seine Lage zur Ideallinie verändert. Die Waving Analysis analysiert nanopräzise die Variabilität aller drei Rotationsabweichungen und zwei Translationsabweichungen sowie die Abwälzpräzision. Sie berücksichtigt darüber hinaus, dass sich die relativen Positionen der Wälzkörper zueinander verändern, sobald sich der Führungswagen bewegt. Auch eine veränderte Lastverteilung auf dem Wagen verschiebt die Tischstellung. Vom Ausmaß dieser Änderung hängt die Qualität der Tischbewegung ab. Das Ergebnis aus dieser Simulation übernimmt THK in den Herstellprozess seiner Führungswagen – und der Vergleich von Simulation und Testergebnissen hat bereits gezeigt, dass die berechneten Daten auf dem Prüfstand wie auch in der Praxis erreicht werden.
Der für das Entstehen von Mikroschwingungen vor allem verantwortliche Bereich ist die Ein- und Auslaufzone der Wälzkörper im Wagen, der so genannte Crowning-Bereich. Die Geometrie dieser Zone im Führungswagen lässt sich mit Hilfe der Waving Analysis exakt berechnen, und die Crowningzone wird dem Maschinentyp angepasst. Das durch diesen Aufwand zu erwartende Ergebnis lässt sich mit dem von THK entwickelten Kalkulationsprozess nanopräzise vorhersagen. Dieser Analyseprozess wird bereits serienmäßig bei Hochleistungsmaschinen eingesetzt.
Die Waving Analysis ist beispielsweise bei Koordinatenschleifmaschinen gefragt oder auch bei Messmaschinen. Speziell bei hochpräzisen Messmaschinen wurde bisher die Aerostatik als die Führungstechnologie schlechthin gesehen. In aller Regel benötigen jedoch Messmaschinen dieser Art einen klimatisierten Messraum, weil sie gegenüber Vibrationen, Verschmutzung und Temperaturschwankungen sehr empfindlich sind. Eine neue Generation repräsentieren aber hochgenaue Messmaschinen, die mit vorgespannten und anhand der Waving Analysis verbesserten Linearführungen ausgestattet sind. Damit lässt sich der Messprozess in unklimatisierter Produktion direkt in der Fertigungslinie durchführen. Die Messgenauigkeit ist mit 2,2 µm+L/300 für einen Temperaturbereich von 15 °C bis 40 °C – spezifiziert.
Die kugelgelagerten THK-Linearführungen, die mit Hilfe der Waving Analysis für eine sehr hohe Oberflächenqualität, Werkzeugstandzeit und Ablaufgenauigkeit optimiert werden, führen in Präzisionsmaschinen zu Bearbeitungsergebnissen, die in der Güte mit denen hydrostatischer oder aerostatischer Führungen vergleichbar sind. Auf Grund der absoluten und stabilen Spielfreiheit der Linearführung bietet diese Chancen unter dem Aspekt der Total Costs of Ownership (TCO).
Reinhard G. Welle THK, Ratingen
Alle Abweichungen werden analysiert
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