WS 2008/09 - Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine … · Folie 1 Führungen für Schlitten und Tische WS 2008/09 - Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine I - VL 9 10. Vorlesung. Führungen

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Führungen für Schlitten und TischeWS 2008/09 - Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine I - VL 9

10. Vorlesung

Führungen für Schlitten und Tische

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Inhalt der Vorlesung

Grundlagen Führungsformen Führungsarten Tribologie

• Grundlagen• Definition und Aufgaben• Führungen und Lagerungen in Werkzeugmaschinen• Bewegungsfreiheitsgrade geführter Werkzeugmaschinenelemente

• Führungsformen

• Führungsarten• Gleitführungen• Wälzführungen

• Tribologie• Reibung• Verschleiß

• Tische und Schlitten

Tische und Schlitten

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Definition und Aufgaben


Aufgaben

Definition

Eine Führung ist eine bewegliche Verbindung, die vorgegebene Relativbewegungen zweier fester Körper ermöglicht.

• Bestimmung der Bewegungsrichtung durch Reduzierung der Bewegungsfreiheitsgrade

• Aufnahme von Zerspan-, Gewichts- undBeschleunigungskräften Bild: SKF


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Führungen und Lagerungen in Werkzeugmaschinen

während desBearbeitungsprozessesbewegt oder geklemmt

während desBearbeitungsprozessesgeklemmt o. geschraubt

während desBearbeitungs-

prozesses bewegt

VerstellführungenBewegungsführungen

geradlinig

kreisförmig

Reitstockeiner Dreh-maschine

Schlitteneiner Hobel-maschine

NC-DrehtischSpindellager Schwenk-kopf einerFräs-maschine

Querbalken einer Portal-fräsmaschine

Grundlagen Führungsformen Führungsarten Tribologie Tische und Schlitten

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Bewegungsfreiheitsgrade geführter Werkzeugmaschinenelemente


Element mit 6 Freiheitsgraden

3 translatorische: 3 rotatorische:

5 entzogene Freiheitsgrade bleibt: X

5 entzogene Freiheitsgrade bleibt:

Fräsmaschinenschlitten Bohrwerkspindel Drehmaschinenspindel

α z

αx, αy, αz

x, y, z

4 entzogene Freiheitsgrade bleibt: z, αz αx

X

z

αx

Bild: IFR Engineering GmbH Bild: IWF

α y

αx

α z y

x

z


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Anforderungen an Führungen


niedrige Herstellkostenhohe Arbeitsgenauigkeit

undgroßes Leistungsvermögen

hohe Steifigkeit

geringe Reibung

gute Dämpfung

geometrische und kinematische Genauigkeit

geringer Verschleiß

spielfrei bzw. geringes Spiel

kostengünstige und einfache Fertigung

gute Montierbarkeit

preisgünsige Werkstoffe

geringe Betriebskosten

Betriebssicherheit

geringe Schmutzempfindlichkeit

geringer Wartungsbedarf

Überlastbarkeit

Leichtbau


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Winkelabweichungen bei translatorischer Bewegung eines Körpers

Rollen Stampfen Gieren

Drehbewegung um die Senkrechte zur Tischfläche

Drehbewegung um die Vorschubachse

Drehbewegung um die in der Tisch ebene senkrecht zur Vorschub-bewegung liegende Achse

Rollabweichung

Bewegungsrichtung

Z

Y

X

Stampfabweichung

Bewegungsrichtung

Z

Y

X

Gierabweichung

Bewegungsrichtung

Z

Y

X


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Einteilung nach Art der Bauform


Führungen

prismatisch zylindrisch

rechtwinklig schiefwinklig

Flachführunggeschlossene

offene Flachführung

Schwalben-schwanzführung

Dachführung

V-FührungRundführung mit Sicherung gegenDrehbewegung

Rundführung ohne Sicherung gegenDrehbewegung


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Nachteile

NachteileVorteile

Vorteile

Prismatische Führungen I

Dachführung und V-Führung

einfache Bearbeitungeinfache Nachbearbeitungeinfache Nachstellmöglichkeitgute Haftung des Schmiermittels

selbsttätiges Nachstellen Ablaufen des Schmieröls

erhöhte Flächenpressung

kein selbsttätiges Nachstellen

Flachführungen

exzellente Dämpfung


Hydrostatische Flachführung

Bild: Starrag Heckert

Bild: INA

V-Führungsschiene mit Winkel-Nadelrollen-Flachkäfig


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Prismatische Führungen II

Nachteile

Vorteile

Gefahr des Führungs-wangenbruchs

schwierige Fertigung

Kraftaufnahme in 3 rotatorischen und 2 translatorischen Freiheitsgraden

Schwalbenschwanzführungen


Bild: Westfalia

Kreuzsupport mit nachstellbaren Schwalbenschwanzführungen

hohe Belastung

langsame Bewegung


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Zylindrische Führungen

einfache Bearbeitunghohe Formsteifigkeit


hohe Genauigkeit der Fertigung

Kraftaufnahme in 2 (3) rotatorischen und 2 translatorischen Freiheitsgraden

Rundführungen

NachteileVorteile

Bild: Igus Bild: FIBRO

Gleitbuchse

Kugelumlauf-buchse

Bild: INA


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Beispiele für Führungsformen

Flachführung mit Umgriffleiste und nachstellbarer Keilleiste

Schwalbenschwanzführung mit Keilleiste

Flachführung mit Schwalbenschwanz-Gegenführung

Prismenführung (Dachform) mit nachstellbarer Umgriffleiste und flacher Gegenführung

hydrostatische Rundführung


Keilleiste

Keilleiste

Stellleiste

A

B

C

D

E

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Kompensation von Spiel und Verschleiß bei hydrodynamischen Gleitführungen


KeilleisteStellleiste

Schnittkraft

Schnittkraft

Schnittkraft


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Senkrechtbohrmaschine


Quelle: DIN 8626

Längsschlitten mitAufspannplatte

Querschlitten

Konsole

nachstellbareFlachführungen

Schwalben-schwanzführung

Flachführungen

Quelle: WEMO

Z


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Einteilung nach Art der Relativbewegung


Führungsarten

aero-dynamisch

hydro-dynamisch

hydro-statisch

aero-statisch

WälzführungenGleitführungen

Bild: FAG


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Hydrodynamische Gleitführungen


Vorteile Nachteile

Anwendungen

• gute Funktionseigenschaften

• geringe Herstellkosten

• einfache Nachstellmöglichkeit

• einfache Nachbearbeitung

• große Dämpfung

• Drehmaschinen

• Schleifmaschinen

• große Reibung

• Stick-Slip-Erscheinungen

• große Erwärmung

Druckaufbau im Schmierfilm am keilförmigen Spalt


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Beispiel für hydrodynamische Gleitführung

Quelle: nach SKC-Gleitbelagtechnik


Rillentiefe 0,5 mm

0,5

m m

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Hydrostatische Gleitführungen


Vorteile Nachteile

Anwendungsgebiete

• keine Anlaufreibung(reine Flüssigkeitsreibung)

• kein Stick-Slip-Effekt• Verschleißfreiheit• hohe Gleitgeschwindigkeit• hohe Positioniergenauigkeit• große Dämpfung

• Hochpräzisionsmaschinen• Hobelmaschinen

• hohe Herstellkosten

• hohe Betriebskosten durchZusatzaggregate

Prinzipieller Aufbau einer hydrostatischen Führung

Öl

Gegenfläche

Taschen-druck

Lagerfläche

Lagertasche

Druckverlauf im Lagerspalt

Bewegungs-richtung

Belastung


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Ausführung einer hydrostatischen Gleitführung


Hydrostatische Umgriffführung mit Laufspaltdrosseln

Bild: Zollern

Hydrostatisch gelagerter Werkzeugmaschinen-schlitten mit gesteuertem Rundtisch (oben)

Rundtisch

Schlitten


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Aerostatische Gleitführungen

• schlechte Notlaufeigenschaften

• keine Rückleitung• geringe Reibung• unbedeutende Erwärmung• betriebssicher bei sehr hohenund niedrigen Temperaturen

• bei hohen Relativgeschwindigkeiten• bei geringen Belastungen• bei hohen Genauigkeitsanforderungen(z. B. Ultrapräzisionsdrehmaschinen)

• kleine Tragfähigkeit• geringe Dämpfung• Neigung zu Schwingungen

• Lufttrockner notwendig

Vorteile Nachteile

Anwendungsgebiete


Prinzipieller Aufbau einer aerostatischen Führung

Aerostatische Führungselement mit faserverstärkter Keramik

Taschen-druck

Luft

Lagerfläche

Gegenfläche

Lagertasche

Druckverlauf im Lagerspalt

Bewegungs-richtung

Drossel

Belastung


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Quelle: DST


Lagerfläche mit Strömungskanälen

Kugelrollspindel Luftzuführung AbströmkanäleSchlitten

Umgriff Maschinenbett Führungsbahn Einströmdüse

Ausführung einer aerostatischen Gleitführung


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Wälzführungen


• Federung von Wälzkörperstellung abhängig

• geringes Bauvolumen• internationale Normung• hohe Laufgenauigkeit• großer Drehzahlbereich• verschleißarm

• Austauschbarkeit

• Tischführungen an Fräs-maschinen und Schleifmaschinen

• Werkzeugschlitten bei Drehmaschinen

• geringe Dämpfung• stoßempfindlich• fremdkörperempfindlich• Genauigkeit von Umbauteilen abhängig

Anwendungsgebiete

Vorteile Nachteile

Quelle: FAG

• großes Sortiment


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Zweiachslinearmotorsystem mit Wälzführungen


Bild: IKO Bild: KML LINEAR MOTION TECHNOLOGY GmbH

Kugelumlauf

Schmierung

Abstreifer

Profilführungsschiene


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Führungsarten und Reibungskennlinien

Quelle: Dubbel


Gleitgeschwindigkeit v

Rei

bekr

aft F

R


Rei

bekr

aft F

R

h = const


Rei

bekr

aft F

R

h = const


Rei

bekr

aft F

R

Hydrodynamische Gleitführung Aerostatische Gleitführung

WälzführungHydrostatische Gleitführung


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Reibung in hydrodynamischen GleitführungenStribeck-Kurve

Richard Stribeck schwäbischer Forscher, der sich mit Problemen der Werkstoffhärte und der Wellenlagerung beschäftigte und diese Kurve 1902 veröffentlichte


Quelle: Dubbel

µ = FF

R

N

FN

FR

Mischreibung

Gleitführungen von Hobelmaschinen und Pressenstößeln, hydrodyna-mische Radial- und Axiallager

Festkörperreibung


Flüssigkeitsreibung

Gleitführungen von Dreh-und Fräsmaschinen

Übergangsgeschwindigkeit vc

Haftreibung

FN: NormalkraftFR: Reibkraft

Reibkoeffizient µ :

Rei

bkra

ft F R

Reibkraft in Abhängigkeit von der Gleitgeschwindig-keit im Falle der hydrodynamischen Reibung


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Stick-Slip-Effekt

Quelle: Weck, M.: Werkzeugmaschinen Bd. 2


m

x FMFN

FR

FZ

kF

v

FHaft

Zeit t

Zeit t

GleitenHaften

Gle

itweg

sFe

derk

raft

F Z

sV . t

FM

FN

FR

FZ

Massenkraft

Normalkraft

Reibkraft

Federkraft

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Bild: Dickow


10

20

30

40

%

Häu

figke

it

0

Grauguss-Grauguss

Grauguss-Kunststoff

Stahl-Grauguss Keramik-

Keramik

Stahl-Kunststoff

Stahl-Bronze Stahl-

Stahl

Werkstoffpaarungen

Die Häufigkeit von Werkstoffpaarungen für den Einsatz als Gleitführung (Mischreibung)

SiC-Wellenschutzhülse

Rotor

Anlaufring

Toleranzring

Graphitring


Werkstoffpaarungen für Gleitführungen

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QuerschnitteFormen

Hydrodynamische GleitführungenÖlschmiernuten

günstig

günstigererReibungs-koeffizient

ungünstig wegen Abstreifwirkung



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Einflussgrößen auf den Verschleiß von Führungen



Beanspruchung

OberflächenstrukturWerkstoff• Werkstoffpaarung (Reibungskoeffizient)

• Wärmebehandlung

• Bearbeitungsverfahren• Makrogeometrie• Mikrogeometrie

• Schmierstoffart (Öl, Fett)• Schmierstoffmenge• Viskosität• Additive• Zeitintervall

• Bewegungsform (Rollen, Gleiten)• Normalkraft• Geschwindigkeit• Temperatur• Beanspruchungsdauer

Schmierung


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Abdeckung von Führungselementen


Faltenbälge

Gliederschürzen

Teleskop mit Stahlabdeckungen

Leichtbauschürzen

Rollabdeckung mit Kunststoff-und Stahlband

Faltenbälge mit Stahllamellen

Spiralfedern


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Tischfeststehendes oder translatorisch bzw. rotatorisch bewegbares, zwangsgeführtes Maschinenelement

dient als Basis zum Aufspannen von Werkstück oder Werkzeug

ermöglicht in bewegbarer Ausführung Relativbewegung zwischen Werkstück und Werkzeug

Beispiele: Drehtisch, Schwenktisch, Längstisch, Kreuztisch, Palette

translatorisch bewegbares, zwangsgeführtes Maschinenelement

ermöglicht Relativbewegung zwischen Werkstück und Werkzeug

Beispiele: Werkzeugschlitten, Werkstückschlitten, Spindelstockschlitten

Schlitten

Merkmale und Beispiele für Tische und Schlitten


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Anforderungen an Tische und Schlitten

Zerspan-, Gewichts- und Beschleunigungskräfte auf möglichst kurzem Weg auf das Gestell übertragen

große statische, dynamische und thermische Steifigkeit

große Auflageflächen für hohe Variabilität und kleine Flächenpressung

ausreichend lange Führungen

niedriges Eigengewicht

Kraftangriff des Antriebs im Schwerpunkt

keine Kippmomente

kollisionsfreie und wirtschaftliche Bewegungsaufteilung bei Anordnung mehrerer Schlitten und Tische


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Bauformen für Tische

Quelle: Fa. Hermle

1 tansl. Freiheitsgrad 1 rot. Freiheitsgrad 1 rot. Freiheitsgrad

Starrer Aufspanntisch

Wechseltisch(Hauptzeitparalleles Rüsten)

NC-Spannbrücke(Serienproduktion)

NC-Schwenkrundtisch(5-Achsen-Fräsen)

Schlitten

2 rot. Freiheitsgrad


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Rundtisch und Palettenwechsler

Automatischer Drehpalettenwechslerfür die Bearbeitung von Klein-, Mittel- und Großserien

Quelle: DMG

CNC-Drehrundtisch hohem Drehmoment und Drehzahlen bis 500 U/min für Fräs- und Drehbearbeitungen in einer Aufspannung

Quelle: DMG

Quelle: Niles

Rundtischfür die Schleifbearbeitung von Zahnrädern


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Hydraulische Klemmeinrichtungen an Führungs-elementen für schwere Lasten


Quelle: Zimmer GmbHQuelle: Dörries Scharmann Technologie

gelöst geklemmt

Bett

SchlittenKlemmstück

Tellerfedern

Sicherung gegen Verdrehendes Kolbens

Öldruck

p = 0

Hydrauliköl

p > 0

Membran

Klemmstück

Führungsschiene


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FunktionDer Ring aus Bronze mit guten Federeigenschaften und optimierten Formgebung wird mittels Öldruck aufgeweitet und geht beim Entlasten in seine Ausgangslage zurück.

Klemmung eines Fräskopfes mit gesteuerter Achse

Quelle: Kostyrka GmbHAufweiten mit hydraulischem Druck

Klemmringe

Hauptspindel einer Fräsmaschine

Detailansicht

Klemmring

Druckkammer

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