Prozessoptimierung durch Messen Temperatureinfluss und Werkstücktoleranzen

Redakteur: Anne Richter

>> Die Temperatur hat einen erheblichen Einfluss auf einen optimalen Bearbeitungsprozess. Auf dem Swissmem-Seminar «Prozessoptimierung durch Messen» am 12. März 2013 in Winterthur wird auch der Temperatureinfluss auf Werkzeugmaschinen ein Thema sein. Dr. Wolfgang Knapp von der ETH Zürich wird einen Vortrag dazu halten und SMM führte im Vorfeld ein Interview mit ihm.

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(Bild: ETH Zürich)

SMM: Welchen Einfluss hat die Temperatur auf einen optimalen Bearbeitungsprozess bei WZM?

Wolfgang Knapp: Ein optimaler Bearbeitungsprozess kann durch Temperatureinflüsse erheblich gestört werden. So führen höhere Temperaturen in der Regel zu Ausdehnungen der Werkzeugmaschine und des Werkstückes, bei Bauteilen aus verschiedenen Materialien gibt es Verformungen (Bimetall-Effekt), ebenso bei Temperaturunterschieden in Bauteilen. Damit wird die geometrische Genauigkeit der Werkzeugmaschine herabgesetzt und Werkstücktoleranzen können nicht mehr eingehalten werden.

Welche Entwicklungen hat es auf diesem Gebiet in den letzten Jahren gegeben?

W. Knapp: Auf dem Gebiet der Simulation hat es eine bedeutende Entwicklung gegeben, sodass heute thermische Verformungen der Werkzeugmaschine aufgrund von Umgebungstemperatur und aufgrund von inneren Wärmequellen, wie z.B. Motoren und Getrieben, gut simuliert werden können. Zum Verstehen der thermischen Einflüsse waren aber auch Fortschritte in der Messtechnik notwendig, wo systematische Messungen thermischer Auswirkungen zwischen Werkstück und Werkzeug sowie Aufnahmen mit Thermokameras sehr hilfreich waren. Dieselbe Messtechnik ist auch notwendig, um die Qualität von thermischen Computersimulationen überprüfen zu können.

Wie gross ist dabei der Zusammenhang von Temperatureinfluss und Präzisions- und Toleranzanforderungen?

W. Knapp: Temperatureinflüsse gelten heute als grösster Einzeleinfluss auf die Präzision einer Werkzeugmaschine. Ein Meter Stahl dehnt sich bei 25 °C um etwa 60 µm gegenüber 20 °C aus, und 60 µm gelten in vielen Anwendungen schon als grobe Toleranz.

Warum ist es sinnvoll, Maschinen zu bauen bzw. einzusetzen mit höherer Toleranzklasse als notwendig?

W. Knapp: Grundsätzlich sollen die eingesetzten Werkzeugmaschinen so genau wie nötig sein. Doch die Toleranzen der gefertigten Bauteile werden vor zu kleiner, denn jede Abweichung bedeutet eine schlechtere Erfüllung der Funktion. So erzeugen Abweichungen in einem Lastwagengetriebe mehr Lärm und mehr Verluste, Abweichungen in einem Flugzeugtriebwerk wieder mehr Lärm und einen höheren Kerosinverbrauch. Effiziente Maschinen und handliche Geräte sind nur mit einer genauen Fertigung und damit genauen Werkzeugmaschinen zu haben.

Inwieweit kann mit der Maschinengeometrie der Temperatureinfluss kompensiert werden?

W. Knapp: Anpassungen der Maschinengeometrie, um Temperatureinflüsse zu kompensieren, gibt es schon lange. Ein grosser Schritt war der Einsatz von Linearmassstäben anstelle der Positionsmessung über Kugelgewindetriebe, wodurch die Erwärmung der Kugelumlaufspindel keine Wirkung mehr auf die Positioniergenauigkeit hat. Auch werden z.B. Linearmassstäbe eingesetzt, die speziell befestigt sind, wodurch Ausdehnungen des Maschinenbetts ohne Einfluss auf die Positioniergenauigkeit sind. Auch der Einsatz von Kühl- und Wärmeelementen erlaubt, thermische Verformungen von Bauteilen aufzuheben.

Inwieweit sind moderne Steuerungen heute in der Lage, die Temperatureinflüsse zu kompensieren?

W. Knapp: Grundsätzlich sind moderne Steuerungen in der Lage, Temperatureinflüsse zu kompensieren. Bei Koordinatenmessgeräten ist dies Stand der Technik, doch finden wir Koordinatenmessgeräte oft in wesentlich besseren Umgebungsbedingungen als Werkzeugmaschinen; auch brauchen Koordinatenmessgeräte kleinere Antriebe als Werkzeugmaschinen, da sie ja keine Bearbeitung durchführen. Werkzeugmaschinen haben oft viel komplexere thermische Einflüsse (wie höhere Leistungen, Bearbeitungsprozess mit Wärmeentwicklung, Kühl- und Schmiermittel), sodass die Kompensation und Erfassung der Abweichungen auch wesentlich komplexer ist. Hier ist noch einiges an Forschungs- und Entwicklungsarbeit zu leisten.

Welche Möglichkeiten hat der Anwender der Maschine, den Temperatureinfluss zu erkennen und wie kann er darauf Einfluss nehmen?

W. Knapp: Die internationale Norm ISO 230-3, thermische Einflüsse, zeigt einfache Messverfahren, um thermische Einflüsse auf Werkzeugmaschinen systematisch zu erfassen. Damit lassen sich die grössten thermischen Einflüsse auf die Maschinengeometrie erkennen, z.B. ob die Umgebungstemperatur oder die Ausdehnung der Werkzeugspindel am meisten stören. Beim grössten thermischen Einfluss können dann Verbesserungen eingeführt und kontrolliert werden, z.B. bessere Kühlung der Werkzeugspindel oder gleichmässigere Belastung (Drehzahlen) der Werkzeugspindel, wenn Start und Stopp zu starken Änderungen führen. Manche Steuerungen erlauben, vor einer kritischen Bearbeitung z.B. die Lage eines Drehtisches auf der Werkzeugmaschine rasch zu erfassen und die aktuelle Lage in die Steuerung zu übernehmen; damit kann der thermische Einfluss auf die Lage eines Drehtisches vollständig kompensiert werden. <<

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