Gordischer Knoten gelöst

Hydrostatisch gedämpft und außerdem geführt durch Hochleistungs-Wälzlagersysteme – diese an sich logische Funktions-Kombination galt jahrelang als Wunschtraum für die Konstrukteure von Werkzeug- und Präzi- sionsmaschinen. Die Vorteile der hydrostatischen Lagersysteme in Bezug auf beste Dämpfungseigenschaften sind hinlänglich bekannt; und für die Vorteile moderner Wälzlagerführungen gilt natürlich dasselbe. Außerdem haben einige der Hersteller von Wälzlagerführungen wie die Firma Schaeffler ihr Lieferprogramm an Linearführungen mit einem umfangreichen Programm an Zubehör versehen, das auch spezielle Dämpfungselemente enthält. Doch die immer höher steigenden Anforderungen an moderne Werkzeugmaschinen sowie an deren Auslegung und Herstellung erfordern neue Lösungsansätze, weshalb sich die INA-Lineartechnik einmal mehr mit der gesamten Problematik befasst hat.

Werkzeugmaschinen werden auf Grund ihrer hohen dynamischen Prozesskräfte beim Zerspanen oder beim schnellen Positionieren zum Schwingen angeregt. In Abhängigkeit von den dynamischen Eigenschaften einer Maschine ergeben sich zum einen spür- und sichtbare Auswirkungen auf die Bearbeitungsgenauigkeit und die Oberflächenqualität des Werkstücks. Zum anderen wirken sich Schwingungen schädlich auf Werkzeugstandzeit, Spann-, Spindel- und Antriebseinheiten sowie auf die entsprechenden Rotations- und Linearlager aus. Ursachen für Schwingungen können sein: fremderregte Schwingungen – harmonische Schwingungen durch Unwucht, Lagerfehler; impulsförmige Anregung durch unterbrochene Schnitte, Messereingriffsstöße, äußerliche Erschütterungen. Selbsterregte Schwingungen – Regenerativeffekt, Lagekopplung, Aufbauschneidenbildung, Werkzeugverschleiß. Wegen der endlichen Steifigkeit einer Werkzeugmaschine und der unvermeidbaren Schwankungen der Schnittkräfte bei der spanenden Bearbeitung lassen sich selbsterregte Schwingungen wie regeneratives Rattern kaum vermeiden. Während sich statische Steifigkeiten beziehungsweise die daraus resultierenden Verlagerungen der Bauteile bei einer Kraft-Beaufschlagung relativ einfach exakt berechnen lassen, treten bei der Ermittlung der dynamischen Steifigkeit viele Faktoren auf, die kaum abgeschätzt werden können.

Gerade diese unbekannten Dämpfungseinflüsse der Koppelstellen führen zu erheblichen Abweichungen zwischen Berechnung und Realität. Mit passiven Dämpfungselementen wie den INA-RUDS-Dämpfungsschlitten oder aktiven Dämpfern lassen sich die Schwingungen durchaus wirkungsvoll reduzieren und die Zerspanvolumen sowie Bearbeitungsqualitäten erhöhen. Ohne zusätzliche Elemente ist das jedoch nicht zu machen und für den Einsatz eines Aktiv-Dämpfers ist außerdem weiterer regelungstechnischer Aufwand zu betreiben. Das „Tuning“ mittels RUDS-Dämpfungsschlitten auf Basis des Sqeezefilmdämpfers ist seit Jahren eine INA-Spezialität und erfährt nun mit Entwicklung der Hydrostatik-Kompaktführungen seine logische Fortführung. Nach wie vor legen die statische und die dynamische Steifigkeit, resultierend aus der Gestaltung und Form der einzelnen Maschinenteile und Komponenten sowie der regelungstechnischen Ansteuerung der Antriebseinheiten den Grundstein für die Performance einer Werkzeugmaschine. Denn nur durch die perfekte Abstimmung aller Komponenten können die Potenziale moderner Schneidstoffe und innovativer Werkzeuge in vollem Umfang genutzt werden. Die RUDS-Dämpfelemente arbeiten jedoch nur bei Relativbewegungen senkrecht zur Verfahrachse und an Orten größter Elongation effektiv. Das heißt im Klartext: Der Schwingungsmode des kritischen Arbeitspunkts muss bekannt sein, um das Dämpferelement richtig platzieren zu können. Aus einer langen Reihe von bei INA-Lineartechnik durchgeführten Modalanalysen ist bekannt, dass Biege- und Torsionsschwingungen von Großbauteilen sowie Schwingungen von Tischbaugruppen mit 50 % den größten Anteil der auftretenden Schwingungsmodien haben. Allerdings haben auch die reinen „Verfahrschwingungen“ mit 15 % einen vergleichsweise großen Anteil. Gründe dafür können nicht ausreichende Steifigkeit von Antriebsspindeleinheiten bzw. deren Anbindung an die Anschlusskonstruktion sein.

Hydrostatische Führungen bieten dagegen in allen Bereichen eine exzellente Dämpfung, verlangen aber einen deutlich höheren Aufwand an Fertigung, Montage und somit Kosten. Desweiteren gestaltet sich die Umgebungskonstruktion aufwändiger, denn es müssen in die Reibungs-/Lagerpartner Kanäle und Ölrückführungen eingearbeitet werden. Folglich stellten sich die INA-Ingenieure die Frage, ob sich die Vorteile der kompakten Wälzlager-/Profilschienenführungen wie Standardbauraum und Standardanschlussmaße mit den hervorragenden Dämpfungs-Eigenschaften einer hydrostatischen Führung kombinieren lassen und eine hydrostatische Kompaktführung herzustellen ist, die in den Anschlussmaßen und im Lichtraumprofil gegen eine Wälzlager-/Profilschienenführung auszutauschen ist. Mit der Vorstellung einer standardisierten hydrostatischen Kompaktführung ist es INA-Lineartechnik nun gelungen, den gordischen Knoten zu lösen. Dazu wurden zunächst der Tragkörper in seiner Steifigkeit optimiert und die Schienenkontur entsprechend abgeändert. Nun ist der Tragkörper mit einer Rundum-Abdichtung ausgerüstet und diese verhindert das Ausfließen des am Druckspalt überfließenden Öls. Das drucklose Öl wird an der Absaugseite zurückgeführt. Die hydraulische Steuerung (ein Drosselblock) ist im Führungswagen voll integriert und werksseitig bereits justiert, so dass der Kunde eine einbaufertige Einheit erhält. Darüber hinaus hat der Werkzeugmaschinenhersteller die Möglichkeit, den Anwendern unter Beibehaltung des Maschinenkonzepts verschiedene bedarfsgerecht aufgebaute Qualitäts-/Genauigkeits-/Performance-Klassen zu offerieren. Die steckerfertig und wie erwähnt schon justierten hydrostatischen Kompaktführungen sind dank gleicher Anschlussmaße und gleichem Lichtraumprofil problemlos anstelle herkömmlicher Profilschienenführungen zu montieren. Dadurch ergeben sich ein erheblich geringerer Konstruktions-, Fertigungs- und Montageaufwand gegenüber der Kombination Hydrostatiklagerung mit Gleitführung. Die übrigen Achsen sind wie gehabt mit Profilschienenführungen auszurüsten.

Mit den Hydrostatik-Kompaktführungen ist der INA-Lineartechnik ein großer Wurf gelungen, denn den Maschinenherstellern erschließen sich weitere Möglichkeiten bezüglich der Konzeption und dem Aufbau ihrer Produkte. Davon profitieren wiederum die Anwender, in Form von höherer Dynamik, Reduzierung unproduktiver Nebenzeiten, mehr Zerspanleistung pro Zeiteinheit, höherer Konturtreue und Genauigkeit sowie Oberflächen-Qualität bei den Werkstücken. Außerdem werden die Werkzeuge, Spannsysteme, Spindeln und überhaupt die Maschine geschont, was wiederum in höheren Standzeiten, reduzierten Werkzeugkosten, Langzeitgenauigkeit, gesteigerter Prozesssicherheit und technischer Verfügbarkeit zum Ausdruck kommt.

Hydrostatische Kompaktführung KEM 555

Rollenumlaufeinheit RUE KEM 556

Dämpfungsschlitten RUDS KEM 557

INA-Lineartechnik KEM 558