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Condition Monitoring-SystemNSK macht Hochgeschwindigkeitszüge flott

Shinkansen-Züge der Serie N700

Schon für die ersten Shinkansen-Züge in Japan lieferte NSK die Radsatzlager und beteiligt sich damit seit gut fünfzig Jahren an der Entwicklung, Hochgeschwindigkeitszüge mit jeder Generation schneller zu machen.

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SchwingungsdämpfungselementeBeruhigende Wirkung

Die steigenden Arbeitsgeschwindigkeiten moderner Werkzeugmaschinen bewirken höhere dynamische Belastungen der einzelnen Bauteile. Das führt häufig zu Präzisionsproblemen beim Werkstück. Welchen direkten Einfluss die richtige Auswahl geeigneter Hochleistungs-Dämpfungselemente auf Fertigungsgenauigkeit, Werkzeug-Standzeiten und Werkstück-Oberflächen hat, wissen die Spezialisten von Isoloc in Stuttgart sehr genau.

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Schwingungsdämpfungselemente: Beruhigende Wirkung

Die Bedeutung der Schwingungstechnik im Bereich des Werkzeugmaschinenbaus wächst mit steigender Leistungsfähigkeit der Anlagen. Dafür gibt es nachvollziehbare Gründe. So erfordert etwa der Wunsch nach mehr Maschinenproduktivität höhere Arbeitsgeschwindigkeiten, was zu steigenden dynamischen Belastungen einzelner Komponenten führt. Auch die Erhöhung der Präzision in der Bearbeitung verlangt nach möglichst schwingungsarmen Konstruktionen. Außerdem besteht ein wachsender Zwang zur Gewichtsreduktion von Maschinen und Tragstrukturen, was konstruktive Materialeinsparungen nach sich zieht und den Einsatz leichterer Werkstoffe oder spezieller Leichtbauweisen erfordert. All diese Maßnahmen führen aber leider auch meist zu einer unerwünschten, erhöhten Schwingungsanfälligkeit der Maschinen. In der Folge ist damit auch die Entstehung von Maschinenlärm verbunden, der durch Körperschallschwingungen sekundär als Luftschall abgestrahlt wird.

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Schwingungen, die beispielsweise durch Maschinen (oder Straßenverkehr) entstehen, breiten sich im Boden aus und können auf Gebäude, empfindliche Messgeräte oder Feinstbearbeitungsmaschinen als Fußpunkterregung wirken. Da Gebäude und Maschinen schwingungsfähige Systeme sind, werden die Erregungen in der Struktur dieser Systeme verstärkt. Bei einer Maschine wird deren Eigenfrequenz etwa durch den Betrieb anderer Maschinen angeregt. Wegen der meist geringen Dämpfung der Maschinenstruktur (< 5 %), können die Schwingungen in der Umgebung der Eigenfrequenzen um bis zu 200-fach verstärkt werden! Die Maschinenteile und insbesondere die Werkstücke haben Biege- und Torsionseigenformen bei den Eigenfrequenzen, die schon durch den eigenen Betrieb angeregt werden. Bei Übereinstimmung von Eigenfrequenz und Erregerfrequenz werden Resonanzschwingungen erzeugt, und es treten oft unerwünscht große Relativbewegungen zwischen Werkstück und Werkzeug auf, die sich auf die Fertigungsgenauigkeit auswirken.

Auf den Fußpunkt gebracht

Um Störeinflüsse während der Fertigung weitestgehend zu vermeiden, müssen diese Schwingungsimmissionen – hier sind es Fußpunkterregungen – mit geeigneten elastisch dämpfenden Elementen reduziert werden. Diese Art der Schwingungsreduzierung nennt man Empfängerisolierung. Ihr Ziel ist es, Schwingungen, die von der Umgebung auf ein schwingungsfähiges System einwirken, zu reduzieren. Durch eine Empfängerisolierung müssen also die Schwingungen eines Systems kleiner sein als die Fußpunktverschiebungen, also die Schwingungen von Unterlage oder Boden.

Das Erfreuliche: Unter Berücksichtigung dynamischer Eigenschaften kann eine Maschine auf speziellen Elementen so gelagert werden, dass neben der gewünschten Schwingungsisolation das dynamische Verhalten der Maschine und der sogenannte KV-Faktor vorteilhaft beeinflusst werden. Ziel ist es dabei, sowohl das Eigenschwingverhalten der Maschine als auch die Qualität der Werkstückoberflächen und nicht zuletzt die gesamte Produktivität zu verbessern.

Was ist der KV-Faktor? Er beschreibt das Verhältnis der (Ist-) Geschwindigkeit zum Schleppabstand (=Regelabweichung) beim Positionieren und ist ein Maß für die Geschwindigkeitsverstärkung im stationären Zustand. Der KV-Faktor ist eine Größe für die Lageregelung, etwa bei Werkzeugmaschinen, der die Kreisverstärkung beinhaltet. Er gibt an, mit welcher Geschwindigkeit ein bestimmter Lagefehler zu Null gemacht wird: Je größer der KV, desto schneller das System. Allerdings darf er nicht zu groß werden, sonst kommt das System zum Schwingen. Eine Erhöhung des KV-Faktors bedeutet eine Steigerung der Leistungsfähigkeit der Werkzeugmaschine. Über die Maschinensteuerung ist dies nur bedingt zu erreichen, zumal recht aufwendig. Durch hochdämpfende Isoloc-Elemente ist der Anwender hingegen in der Lage, den KV-Faktor um das Dreifache zu steigern!

Die speziell dafür ausgelegten Isoloc-Elemente wirken umfassend auf ein schwingungsfähiges System. Durch die richtigen Lagerungselemente kann das dynamische Verhalten der Maschine „beruhigt“ werden. Es können die Schwingungsantworten (Amplituden) durch die passend ausgewählten Elemente erheblich reduziert werden. Wichtig ist hier, dass die Elemente eine hohe Dämpfung (D >15 %) aufweisen. Denn bei Elementen mit einer geringeren Dämpfung würde es deutlich länger dauern, bis die Schwingungen abklingen.

Eine bestimmte Oberflächenqualität eines Werkstücks kann beispielsweise bei einer starren Aufstellung nicht erreicht werden, da die Wechselwirkungen zwischen Werkzeug und Werkstück sowie zwischen Boden und Maschine bzw. Maschinenteilen dadurch negativ beeinflusst werden. Auch die oft mit „hoher Dämpfung“ beschriebenen Maschinenbetten aus Mineralguss, erreichen diese Verbesserungen nicht. Der Dämpfungsgrad von Maschinenbetten aus Mineralguss liegt zwar mit 2 - 3% deutlich höher als Grauguss oder Stahl, erreicht aber bei weitem nicht die Dämpfungswirkung der Isoloc-Elemente (bis 25 %)! Die Maschinenlagerungssysteme aus Stuttgart, wie etwa das neue Multidam MD+UMS, weisen einen Dämpfungsgrad von 17-19 % auf, wodurch die Amplituden der gesamten Maschine und insbesondere die Amplituden der Werkzeuge und Werkstücke reduziert werden. Entscheidend ist dabei die Relativbewegung zwischen dem Werkstück und dem Werkzeug.

Auch die gegenseitige Beeinflussung der Haupt- und Gegenspindel kann reduziert werden. Eine Aufstellung auf hochdämpfenden Isoloc-Elementen hat weiterhin zur Folge, dass an einer Maschine der Ruck deutlich erhöht werden kann. Über den Ruck, der die dritte Ableitung einer zurückgelegten Strecke nach der Zeit ist, wird die maximale Beschleunigung begrenzt. Ein hoher Ruck ermöglicht also eine hohe Beschleunigung, was zu kürzeren Bearbeitungszeiten führt. Uwe Schürrle, Isoloc/ms

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