B03: Komponenten- und Baugruppenuntersuchung

Kenntnis und Simulation des thermo-elastischen Verhaltens von Werkzeugmaschinen, Maschinenkomponenten und -baugruppen

Teilprojektleiter

Prof. Dr.-Ing. Christian Brecher: RWTH Aachen, Werkzeugmaschinenlabor, Forschungsbereich Werkzeugmaschinen

Der wissenschaftliche Fokus des Teilprojekts „Komponenten- und Baugruppenuntersuchung“ liegt auf der Untersuchung des thermo-elastischen Verhaltens von Werkzeugmaschinenkomponenten und ‑baugruppen und sieht die Entwicklung von Simulationsmodellen zur Prognose der thermisch bedingten Strukturverformungen in Abhängigkeit von messbaren physikalischen Größen gestützt auf experimentellen Versuchen vor.
Anhand umfangreicher Versuchsreihen wurden in der ersten Förderphase wesentliche Einflussfaktoren auf das Temperaturfeld, wie z. B. Vorschub und Abstreifersystem der aktiven Komponenten Spindellager, Profilschienenführung und Kugelgewindetrieb identifiziert und analysiert. Auf dieser Basis erfolgte zunächst eine Modellierung der Reibkraft als Haupteinflussgröße basierend auf einem Reibmodell. Dieses Reibmodell ermöglicht nach einmaliger Parametrierung die Prognose der Reibkraft bei beliebigem Verfahrprofil. Umgerechnet in eine Reibleistung, liefert diese eine Eingangsgröße für das eigentliche Temperaturmodell. Dieses basiert auf einem stark reduzierten Strukturmodell der Komponenten, wobei die Wärmeübergänge aus der Zusammenarbeit mit dem TP B02 auf messtechnischen Grundlagen beruhen. Nachdem die einzelnen Temperaturmodelle auf Prüfständen parametriert wurden, konnte im Rahmen von ersten Validierungsversuchen gezeigt werden, dass diese nicht nur das thermische Verhalten auf dem verwendeten Prüfstand, sondern auch das eines Gesamtsystems gut prognostizieren können. Der Umsetzbarkeit eines Bottom-Up-Ansatzes kann somit ein hohes Potenzial zugesprochen werden.
In der zweiten Phase werden die bestehenden Prüfstände verwendet, um den Einfluss weiterer Faktoren (z. B. Baugröße, Schmierungsart, Vorspannklassen, Abstreiferausführung, Anschlussgeometrie und –material) auf den Wärmeeintrag hin zu untersuchen. Aufbauend auf den bereits durchgeführten Untersuchungen wird die Analyse einer Hauptspindel vorangetrieben. Im weiteren Verlauf wird der Forschungsschwerpunkt, der in Phase 1 vorwiegend auf Komponentenebene lag, auf das thermo-elastische Verhalten von Baugruppen ausgerichtet. Hierbei werden neben den Untersuchungen der Baugruppen Vorschubachse und Motorspindel weitere Untersuchungen an einer Demonstratormaschine durchgeführt. Durch die Verfolgung des Top-Down Ansatzes findet parallel eine Validierung der entwickelten Prognosemodelle statt.
Zum Ende von Phase 2 liegen validierte Temperaturmodelle für das thermo-elastische Verhalten einer Linearachse und eines Spindelsystems vor. Somit besteht anschließende die Möglichkeit, die erzielten Ergebnisse auf das thermo-elastische Verhalten einer Gesamtmaschine zu übertragen. Durch die umfassenden Untersuchungen der Einzelkomponenten ist zudem die Möglichkeit gegeben, eine große Anzahl an Komponentenvarianten abzubilden und miteinander zu verknüpfen.