Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack FL.1. Führungen und Lager

Transkript

1 FL.1 Führungen und Lager

2 FL.2 Sichern der geometrisch bestimmten Lage zwischen Werkzeug und Werkstück Aufnehmen von Belastungen Bestimmung der Bewegungsrichtung Rall Aufgaben von Führungen und Lagern

3 Element mit 6 Freiheitsgraden translatorisch: x, y, z rotatorisch: α x, α y, α z α z z α x α y y x rechtsorientiertes kartesisches KOS FL.3 Fräsmaschinenschlitten Bohrwerkspindel Drehbankspindel 5 entzogene Freiheitsgrade 4 entzogene Freiheitsgrade 5 entzogene Freiheitsgrade bleibt: y bleibt: y, bleibt: α y α x Bewegungsfreiheitsgerade geführter Werkzeugmaschinenelemente

4 FL.4 Führungen in Werkzeugmaschinen Bewegungsführungen Verstellführungen Bewegungsarten während des Bearbeitungsprozesses bewegt während des Bearbeitungsprozesses bewegt oder geklemmt während des Bearbeitungsprozesses geklemmt o. verschraubt geradlinig Schlitten einer Hobelmaschine Kreuztischführung an einer Universalfräsmaschine Reitstock an einer Drehmaschine kreisförmig Spindellager Lagerung eines Trommelrevolvers beim Planbzw. Längsdrehen Lagerung eines Sternrevolvers geradlinig und kreisförmig Spindel eines Bohrwerkes Führung Säule-Ausleger einer Auslegerbohrmaschine Weck Beispiel Führung und Lagerungen in Werkzeugmaschinen

5 FL.5 Störeinflüsse Herstellfehler Normalkräfte Schubkräfte Erwärmung Fremdstoffe Funktion der Führung Lage- und Formgen. Kontaktsteifigkeit Langzeitgenauigkeit Reibleistung Eindringschutz Oberflächengüte Dämpfungsvermögen Reibverhalten Wärmeübertragung Entsorgung Anforderungen an Führungen Rall Störeinflüsse und Anforderungen an Führungen

6 Momentanpol FL.6 Tischbahn weiter Schwerpunkt stabil Tischbahn enger Schwerpunkt instabil Rall Momentanpol Lagestabilität von Führungen

7 FL.7 Fremdkörperschutz Rall abstreifend Schlittenkante Abstreifer (Gew. Elast.) Druckluft Druckflüssigkeit abdeckend umbaute Führung. starre Abdeckung Faltenbälge Abdeckbänder Teleskopabdeckung Möglichkeiten zum Führungsbahnschutz

8 FL INA Teleskopabdeckung

9 FL G.Filter Schema zur Auswahl von Führungen

10 FL.10 Rall Grundformen und abgeleitete Formen als Führungsprinzip

11 FL.11

12 FL.12

13 FL.13 Rall Geschlossene Geradführung

14 FL G. Filter Aufbau einer Geradführung

15 PROF.DR.-ING. K.RALL TUHH FL.15 Profilschienenführung

16 FL.16 M x F y F z M x F y F z Kugel Rolle x-anordnung der Wälzkörper Kugel Rolle O-Anordnung der Wälzkörper M x F y F z F z M x F y INA, Star 2-Punkt Kontakt Kugel-Umlaufführungen 4-Punkt Kontakt 2-Punkt Kontakt Modifizierte O-Anordnung der Wälzkörper Übersicht über Bauarten von Profilschienenwälzführungen

17 FL.17 Verkeilen Verklemmen Rall Verkeilen und Verklemmen

18 FL.18

19 µ Reibungskoeffizient Haftreibung Festkörperreibung ca. 10 m min Mischreibung Flüssigkeitsreibung Gleitführungen von Drehund Fräsmaschinen hydrodynamische Radial- und Axiallager, Gleitführung von Hobelmaschinen und Pressenstößeln Übertragungsgeschwindigkeit v ü FL.19 Gleitgeschwindigkeit v Stribeck - Kurve

20 FL.20 Gleitbelagtechnik GmbH Reibungskennlinien von beschichteten und unbeschichteten Führungsbahnen

21 FL.21

22 FL.22 Schaublin Modell Stick-Slip

23 FL.23 Vorschubgeschwindigkeit m Federkraft Reibkraft gleiten Führung haften soll Schaublin Schlittenbewegung Stick-Slip Zeit Soll-Ist-Bewegung

24 Vorschubgeschwindigkeit FL.24 Federkraft m Reibkraft Schaublin Führung qt () mg [( µ v µ 0)cosΩ t µ v] für vrel > 0 c vt = mg [( µ 0 µ v)cosω t+ µ v] für vrel < 0 c Stick-Slip

25 FL Reibwertdifferenz µ 0 - µ v möglichst klein halten. 2. Haftreibung und Gleitreibung durch geeignete Mittel (Schmiermittel, Beschichtung der Führungen) verringern. 3. Masse m möglichst klein halten 4. Steifigkeit c der Elemente des Vorschubantriebes möglichst groß gestalten. Einflussgrößen Stick-Slip

26 FL.26 Milberg Tribo-System bei Gleitführungen

27 FL.27

28 FL.28

29 FL.29 Wie verhält sich der Druck in den Taschen und in Richtung der Abströmstrecken? p A p T p T p T Hydrostatische Führung

30 FL.30 b l >> >> h h Ölzufuhr Q F Ölabfluss l Spalt Spalt p T Ölabfluss b h p 0 3 bh Q = ( pt p0) 12η l Gesetz von Hagen-Poisseuille und effektive Fläche

31 p Tasche Außenkante Außensteg In erster Näherung läge eine linearer Druckabfall vor. FL.31 p 0 l x F = p da =, p = p p A 0 p l/2 F = pd a, p = const d A eff a p 0 l x F = p da = A p A eff eff Idee der effektiven Fläche I

32 FL.32 b l >> >> h h Ölzufuhr Q F Ölabfluss A eff l Spalt Spalt p T Ölabfluss b h p 0 p T Taschendruck sein konstant Idee der effektiven Fläche II

33 FL.33 F = A eff Q = p p T = = Kraft effektive Fläche mit konstantem Überdruck Durchflussmenge Taschendruck = Umgebungsdruck (Annahme: p = 0) 0 0 b = Abströmbreite l = Abströmlänge h = Ölspalthöhe (Flughöhe) p Gesetz von Hagen-Poisseuille und effektive Fläche

34 FL.34 Rall Hydrostatische Lagertasche

35 FL Hydrostatisches Lager ohne Umgriff und seine elektrische Analogieschaltung

36 FL.36 Rall Hydrostatisches Lager mit einer und zwei Taschen bei exzentrischer Belastung

37 FL.37

38 p 1 FL.38 Bett h T Tisch h U Rall p Prinzip einer hydrostatischen Lagerung im Umgriff

39 FL.39

40 FL Rall Prinzip einer hydrostatischen Lagerung im Umgriff

41 FL Rall Prinzip einer hydrostatischen Lagerung mit unterschiedlichen Ölversorgungssystemen

42 FL Ölspaltverformungen bei verschiedenen Ölversorgungssystemen ohne Umgriff

43 FL.43 Rall Membrandrossel

44 FL.44

45 FL.45 Siebers Schematische Darstellung einer Mehrkreispumpe

46 FL.46 Große e statische Steifigkeit Große e dynamische Steifigkeit Kleine Reibung Fehlen von An- und Auslaufreibung Kein Verschleiß Große e Bewegungsgenauigkeit Hoher Aufwand Hohe Kosten Schlechte Energieausnutzung Geringer Wirkungsgrad Umweltverschmutzung Spezialkenntnisse notwendig Überwachungsaufwand Vor- und Nachteile hydrostatischer Lagerungen

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51 FL.51

52 FL.52

53 FL.53

54 FL.54

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58 FL.58 PROF.DR.-ING. K.RALL TUHH Lager alt (ohne Kugelkette) Lager neu (mit Kugelkette) Zwischenplatten Kunststofflamellen Metallabstreifer Distanzplatte Enddichtungen Ölreservoir Schmierölgeber Ölmengenregulator Kugelkette THK GmbH Kompaktführung mit Kugelkette (Profilschienenwälzführung)

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60 FL.60

61 FL.61 b 1 = Spulenwicklung c = Aktorscheibe d = Axtialsensor e = Stator f = Welle Z, Z = Achsen 1 2 SKF Axialmagnetlager

62 FL.62 a = Stator b = Rotor c = Welle d = Spulenwicklung e = Radialsensor v;v;w;w = Achsen SKF Rotor eines aktiven Radialmagnetlagers

63 FL.63 Kosten Anschaffung Reperatur Druckluft Reibungsverluste Energieverbrauch Magnetlager Energieverbrauch Motor Wuchten von Werkzeugen Gesamtkosten wälzgelagerte Spindel magnetgelagerte Spindel Rall Kostenvergleich

64 FL.64 Merkmale hydrodynam. Lager Wälzlager hydrostat. Lager Laufgenauigkeit Betriebssicherheit Bereitstellkosten Verlustleistung Dämpfung Verschleißfreiheit Kühlmöglichkeit Drehzahlbereich Bewertung der Eigenschaften hoch niedrig Siemens Eigenschaften unterschiedlicher Hauptspindellagerungen

65 FL.65 Eignung Merkmale sehr gut -gut -normal/möglich Lagerbauart -mit Einschränkung -nicht geeignet/entfällt Radialbelastbarkeit Axialbelastbarkeit in beiden Richtungen Eignung für hohe Drehzahlen -geräuscharmer Lauf -hohe Steifigkeit -geringe Reibung Rillenkugellager Schrägkugellager Schrägkugellager zweireihig Spindellager Pendelkugellager Zylinderrollenlager NU, N Kegelrollenlager Axial-Rillenkugellager Einzellager und Lager in Tandem-Anordnung in eine Richtung FAG Gebräuchliche Wälzträger und deren Merkmale

66 FL.66 normales Spindellager Baureihe HS: Kugeldurchmesser auf 70% reduziert Kugelmasse auf 1/3 reduziert Zahl der Kugeln um 2/3 erhöht Außen- und Innenring versteift Fett-Lebensdauerschmierung FAG % höhere Maschinendrehzahl Hochgeschwindigkeitsspindellager

67 FL Aufbau einer Spindellagerung mit Kegelrollenlagern

68 FL.68

69 FL Aufbau einer Spindellagerung mit Zylinderrollenlagern und Axial-Schrägkugellager

70 FL Aufbau einer Spindellagerung mit Schrägkugellagern und Zylinderlager

71 FL.71

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73 FL.73 Hauptspindel Antriebsleistung 22 kw Drehzahl max 3000 min -1 Lagerung Die Spindel wird radial in zweireihigen Zylinderrollenlagern, in einem FAG NN3020ASK.M.SP und einem FAG NN3016ASK.M.SP, geführt. Zur axialen Abstützung dient ein Axial-Schrägkugellager FAG M.SP. Die Lager werden mit Fett geschmiert Technische Daten einer Hauptspindel

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75 FL.75. NU10 32 E Vorsetzzeichen Basiskennzeichen Zeichen für die Lagerreihe Zeichen für die Lagerbohrung Nachsetzzeichen Vorsetzzeichen: Nachsetzzeichen: für bestimmte Lagerbestandteile (Ringe, Käfige) für Besonderheiten der inneren Konstruktion, Maßtoleranzen, Laufgenauigkeiten, Lagerspiel etc. Einzelheiten sind den Katalogen der Wälzlagerhersteller zu entnehmen. Bezeichnung der Wälzlager

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77 FL.77 SKF Vertikal-Schnellauf-Frässpindel

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80 FL Vergleich der Lagerungsarten

81 FL.81 Einflussfaktoren auf erreichbare Drehzahlen von Wälzlager in WZM- Spindeln - Lagerbauart - Lagergröße - Aufbau - Anordnung - Genauigkeit - Umbauteile - Schmierung Einflussfaktoren

82 FL.82 alle 100 mm Bohrungs : Fettschmierung Ölschmierung Kegelrollenlager Zylinderrollenlager Spindellager Axial-Schrägkugel , Typische Drehzahlen in min -1

83 Lagergebrauchsdauer ist größer FL.83 Vorteile Höchste Drehzahlen, auch bei Fettschmierung Notlaufeigenschaften sind sehr gut Niedrige Betriebstemperatur Beste Oberflächenqualität und Genauigkeit der bearbeiteten Werkstücke Nachteile Kostengünstige Schmierung geringe Bruchzähigkeit, geringes plastisches Deformationvermögen hoher E-Modul hoher Preis Eigenschaften von Hybridlagern

84 FL.84