2 Bauelemente spanender Werkzeugmaschinen

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1 2 Bauelemente spanender Werkzeugmaschinen Dummie-Seite, damit die Bildunterschriften i. O. sind Bild 2-1Bild 2-2Bild 2-3Bild 2-4Bild 2-5Bild 2-6Bild 2-7Bild 2-8Bild 2-9Bild

2 2.2 Wälzlager Lagerbauarten - Kugellager - Rollenlager Lagerungsprinzipien - Fest-Loslagerung - Angestellte Lagerung - Schwimmende Lagerung - Tandem-Anordnung 2.3 Spindel-Lager-Systeme Thermisches Verhalten Dynamisches Verhalten 2.4 Kugelgewindespindel 2-9

3 2.2 Wälzlager Wälzlager bestehen aus Wälzkörpern, Käfigen, Laufbahnen auf Ringen, Schienen oder Wagen und Schmierstoff und gegebenenfalls Abdichtungen und Zubehör. Bauart und -größe der Wälzlager bestimmen die wichtigen Kenngrößen wie aufnehmbare Kräfte, Grenzdrehzahlen, radiale und axiale Steifheit. Einstellung des Spiels bzw. der Vorspannung Zur Einstellung des Spiels bzw. der Vorspannung von Wälzlagern gibt es verschiedene Möglichkeiten: Verschieben von Radiallagern mit kegeliger Bohrung auf kegeligem Lagersitz Verschieben der Lageraußen- und -innenringe gegeneinander bei Schräg- und Axiallagern: - formschlüssig - kraftschlüssig Steifigkeit Unter Steifigkeit versteht man den Widerstand gegen Verlagerung oder Verschiebung unter Last im Bereich der elastischen Verformung. Sie ist wesentlich von der Lagerbauart und dem Lagerspiel abhängig. Die Steifigkeit von Rollenlagern ist wegen der Berührungsverhältnisse zwischen Rollkörpern und Laufbahnen höher als die von Kugellagern gleicher Größe. Zur Erhöhung der Steifigkeit spannt man z. B. Spindellager vor. Die axiale Steifheit hängt wesentlich vom Berührungswinkel des Lagers ab. Die mit dem Berührungswinkel abnehmende Grenzdrehzahl ist auf ungünstigere Reibungsverhältnisse im Lager und die Wälzkörperfliehkräfte zurückzuführen. Abhängig von der Vorspannung wird eine Radialkraft auf das Lager von einer unterschiedlichen Anzahl von Wälzkörpern aufgenommen. Die Druckzone (Druckwinkel j) ist unterschiedlich groß. Dementsprechend steigt die Lagersteifheit mit abnehmendem Spiel und zunehmender Vorspannung an. Gestaltung von Wälzlagerungen Lange Gebrauchsdauer, hohe Zuverlässigkeit und Wirtschaftlichkeit sind wesentliche Ziele bei der Gestaltung einer Wälzlagerung. Um sie zu erreichen, müssen in einem Lastenheft alle Bedingungen und Anforderungen erfasst werden, die die Lagerung beeinflussen. Beim Entwurf sind nicht nur die richtige Lagerbauart, Lagerausführung und Lageranordnung zu wählen. Vielmehr müssen auch die Umgebungsteile, also Welle, Gehäuse und Befestigungsteile, die Abdichtung und besonders die Schmierung auf die im Lastenheft erfassten Einflüsse abgestimmt werden. Bekannt sein sollten dabei z. B. die folgenden Daten: Maschine/Gerät und Einbaustellen der Lager (Skizze) Betriebsbedingungen (Belastung, Drehzahl, Einbauraum, Temperatur, Umgebungsbedingungen, Wellenanordnung, Steifigkeit der Umbauteile) Anforderungen (Lebensdauer, Genauigkeit, Geräusch, Reibung und Betriebstemperatur, Schmierung und Wartung, Montage und Demontage) Termine Stückzahlen... Liegen möglichst viele Informationen über die Einflüsse vor, kann Bauart, Anordnung und Größe der Lager gewählt werden, wobei in vielen Fällen auch Alternativen zu überprüfen sind. In der Konstruktionszeichnung wird dann die gesamte Lagerung festgelegt, also außer den Lagerdaten (Hauptabmessungen, Toleranzen, Lagerluft, Käfig, Kurzzeichen) die Anschlußteile (Passungen, Befestigung, Abdichtung) und die Schmierung. Auch die Montage und die Wartung sind dabei zu berücksichtigen. Zur Auswahl der wirtschaftlichsten Lagerung vergleicht man die Alternativen daraufhin, in welchem Maß die im Lastenheft erfassten Einflüsse berücksichtigt sind und welche Kosten entstehen. 2-10

4 In den meisten Fällen ist der Aufwand beim Entwurf einer Lagerung verhältnismäßig gering, weil man auf Erfahrungen mit vergleichbaren Lagerungen zurückgreifen kann. Neuartige Lagerungen oder extreme Bedingungen erfordern häufig umfangreichere Berechnungen und konstruktive Maßnahmen. Für viele Anwendungsgebiete stehen von Seiten der Wälzlagerhersteller auch Publikationen und Rechenprogramme zur Verfügung Lagerbauarten Für die Lagerung von Spindeln stehen die verschiedenen Wälzlagerbauarten zur Verfügung. Schon daraus ergibt sich eine Vielzahl unterschiedlicher Konstruktionen. Abhängig vom Anwendungsfall und von speziellen Anforderungen haben sich Standardlösungen durchgesetzt: Kegelrollenlager: unterer Geschwindigkeitsbereich, hohe Steifigkeit (Drehen, Fräsen) zweireihige Zylinderrollenlager: mittlerer Geschwindigkeitsbereich, sehr hohe Steifigkeit (Drehen, Bohren, Fräsen, Schleifen) Schrägkugellager: oberer Geschwindigkeitsbereicht, geringe Steifigkeit (Schleifen, Drehen und Fräsen von Buntmetallen) Nach der Art der Rollkörper unterscheidet man zwischen Kugel- und Rollenlagern. Kugellager z. B.: Rillenkugellager Schrägkugellager Vierpunktlager Pendelkugellager Axial-Rillenkugellager Axial-Schrägkugellager... Bild 2-11: Kugellager: a) Rillenkugellager (einreihig), b) Rillenkugellager (zweireihig), c) Schrägkugellager (einreihig), d) Schrägkugellager (zweireihig), e) Schulterkugellager, f) Pendelkugellager, g) Axial- Rillenkugellager (einseitig wirkend) [Niemann] Rollenlager z. B.: Zylinderrollenlager Kegelrollenlager 2-11

5 Tonnenlager Pendelrollenlager Axial-Zylinderrollenlager Axial-Pendelrollenlager... Rollenlager eignen sich für höhere Radialbelastungen als gleich große Kugellager. Bild 2-12: Rollenlager. a) Zylinderrollenlager unterschiedlicher Bauformen, b) Pendelrollenlager, c) Tonnenrollenlager, d) Kegelrollenlager, e) Axial-Pendelrollenlager [Niemann] Bild 2-13: Radiale / axiale Steifigkeiten und Grenzdrehzahlen von Wälzlagern (42246, 42249) Lagerungsprinzipien Bei modernen Werkzeugmaschinen findet häufig der Einsatz von Schrägkugellagern (gepaart in Tandem-, O- oder X-Anordnung) Anwendung. Lager dieser Bauart erfüllen die Forderungen nach größerer Arbeitsgenauigkeit, hohen Spindeldrehzahlen und niedriger Reibung. Fest-Loslagerung Im "Fest-Loslager-Prinzip" überträgt das Festlager Radialkräfte und axial wirkende Kräfte in beiden Richtungen, das Loslager dagegen nur Radialkräfte. Das Festlager übernimmt damit zwei Funktionen, die durch je ein Radiallager und Axiallager erfüllt werden können. Mit zwei Schrägkugellagern z. B. ist es auch möglich, beide Funktionen zu erfüllen. Bei einer Welle, die in zwei Radiallagern abgestützt ist, stimmen die Abstände der Lagersitze auf der Welle und im Gehäuse wegen der Fertigungstoleranzen häufig nicht überein. Auch durch Erwärmung im Betrieb verändern sich die Abstände. Diese Abstandsunterschiede werden im Loslager ausgegli- 2-12

6 chen. Ideale Loslager sind Zylinderrollenlager. Bei ihnen kann sich der Rollenkranz auf der Laufbahn des bordlosen Lagerrings verschieben. Andere Lagerbauarten, z. B. Rillenkugellager und Pendelrollenlager, wirken nur dann als Loslager, wenn ein Lagerring verschiebbar gepasst ist. Der mit Punktlast beaufschlagte Lagerring wird deshalb lose gepasst; meist ist dies der Außenring. Das Festlager dagegen führt die Welle axial und überträgt äußere Axialkräfte. Um Axialverspannungen zu vermeiden, bildet man auch bei Wellen mit mehr als zwei Lagern nur ein Lager als Festlager aus. Welche Lagerbauart als Festlager gewählt wird, hängt davon ab, wie hoch die Axialkräfte sind und wie genau die Welle axial geführt werden muss. Mit einem zweireihigen Schrägkugellager erzielt man z. B. eine engere axiale Führung als mit einem Rillenkugellager oder Pendelrollenlager. Auch ein Paar spiegelbildlich angeordneter Schrägkugellager oder Kegelrollenlager bietet als Festlager eine sehr enge axiale Führung. Besonders vorteilhaft sind Schrägkugellager der Universalausführung. Die Lager können ohne Passscheiben in O- oder X-Anordnung beliebig gepaart werden. Schrägkugellager der Universalausführung sind so abgestimmt, dass sie beim Einbau in X- oder O-Anordnung, je nach Ausführung geringe Axialluft haben, spielfrei sind oder leichte Vorspannung haben. I io I ax I ao b a I ix Distanzring Kraftwirkungslinien b i Distanzring (innen) O-Anordnung X-Anordnung Bild 2-14: Schrägkugellagerpaar-Anordnungen (42340) Durch das Vorspannen der Wälzlager verteilt sich die Last auf alle Wälzkörper und die Gesamtsteifigkeit des Systems erhöht sich (Bild 2-15, Bild 2-16). Bild 2-15: Lastverteilung in einem radial belasteten Wälzlager abhängig von Lagerspiel bzw. - vorspannung (42338) 2-13

7 ohne Vorspannung mit Vorspannung v je Feder k x 1 v k k k F - x 1 k = 0 k = F x 1 F F F + (v x 2 ) k - (v + x 2 ) k = 0 F x 2 = k ges = 2 k Bild 2-16: Ersatzsystem Vorspannung (42637) Angestellte Lagerung Das Prinzip der "angestellten Lager" besteht darin, dass sich zwei Lager axial gegenseitig abstützen. Sie übertragen beide - wie beim "Fest-Loslager-Prinzip" - Radialkräfte, aber Axialkräfte nur jeweils in eine Richtung. Eine angestellte Lagerung besteht in der Regel aus zwei spiegelbildlich angeordneten Schrägkugellagern oder Kegelrollenlagern (Bild 2-17). Bei der Montage wird ein Lagerring auf seinem Sitz so weit verschoben, bis die Lagerung das gewünschte Spiel oder die notwendige Vorspannung hat. Wegen dieser Einstellmöglichkeit eignet sich die angestellte Lagerung besonders für Fälle, in denen eine enge Führung notwendig ist, z. B. bei Ritzellagerungen mit spiralverzahnten Kegelrädern und Spindellagerungen bei Werkzeugmaschinen. Grundsätzlich kann man zwischen der O-Anordnung und der X- Anordnung der Lager wählen. Bei der O-Anordnung zeigen die von den Drucklinien gebildeten Kegel mit ihren Spitzen S nach außen, bei der X-Anordnung nach innen. Die Stützbasis, also der Abstand der Druckkegelspitzen, ist bei der O-Anordnung größer als bei der X-Anordnung. Die O-Anordnung ergibt daher das geringere Kippspiel. 2-14

8 Bei der Einstellung der Axialluft ist die Wärmedehnung zu berücksichtigen. Bei der X- Anordnung (a) führt ein Temperaturgefälle von der Welle zum Gehäuse immer zu einer Luftverminderung (Voraussetzungen: gleiche Werkstoffe von Welle und Gehäuse, gleiche Temperatur von Innenringen und gesamter Welle, gleiche Temperatur von Außenringen und gesamtem Gehäuse). Dagegen werden bei der O-Anordnung drei Fälle unterschieden. Fallen die Rollkegelspitzen R, d.h. die Schnittpunkte der verlängerten Außenringlaufbahn mit der Lagerachse, zusammen (b), so bleibt die eingestellte Lagerluft unter den oben genannten Voraussetzungen erhalten. Überschneiden sich bei kurzem Lagerabstand die Rollkegel (c), dann wird durch Wärmedehnung die Axialluft kleiner. Eine größere Axialluft ergibt sich dagegen, wenn sich bei großem Lagerabstand die Rollkegel nicht berühren (d). Angestellte Lagerungen erhält man auch durch Vorspannung mit Federn. Diese elastische Art der Anstellung gleicht die Wärmedehnungen aus. Man wendet sie auch an, wenn Lagerungen durch Stillstandserschütterungen gefährdet sind. Bild 2-17: Angestellte Lagerung in X- bzw. O-Anordnung (42801) Schwimmende Lagerung Die schwimmende Lagerung ist eine wirtschaftliche Lösung, wenn keine enge axiale Führung der Welle verlangt wird. Der Aufbau ist ähnlich wie bei der angestellten Lagerung. Die Welle kann sich bei schwimmender Lagerung jedoch um ein Axialspiel gegenüber dem Gehäuse verschieben. Das Axialspiel wird in Abhängigkeit der geforderten Führungsgenauigkeit so festgelegt, dass die Lager auch bei ungünstigen thermischen Verhältnissen nicht axial verspannt werden. Geeignete Lagerbauarten für die schwimmende Anordnung sind z. B. Rillenkugellager, Pendelkugellager und Pendelrollenlager. Bei beiden Lagern ist je ein Ring - gewöhnlich ein Außenring - verschiebbar zu passen. Bei schwimmenden Lagerungen mit Zylinderrollenlagern findet der Längenausgleich in den Lagern statt. Innen- und Außenringe können fest gepasst werden. Kegelrollenlager und Schrägkugellager eignen sich nicht für eine schwimmende Anordnung, weil man sie anstellen muss, damit sie einwandfrei ablaufen. Tandem-Anordnung Bei der Tandemanordnung sind mehrere Wälzlager gleichsinnig aneinandergereiht. Durch Variation der Distanzringbreiten können verschiedene Lagergrundvorspannungen erzeugt werden. 2-15

9 2.3 Spindel-Lager-Systeme Thermisches Verhalten Arbeitspindellagerungen sind Wärmequellen. Aus Reibmoment M R und Drehzahl n entsteht in den Lagern die Verlustleistung P R, die vollständig in Wärme umgewandelt wird. Die Spindelverluste können einen erheblichen Anteil an Energieverbrauch einer Werkzeugmaschine haben. Sie hängen wesentlich von der Lagerungsart ab. 4 hydrodynamisches Lager kw Verlustleistung 2 1 hydrostatisches Lager Wälzlager aerostatisches Lager min Drehzahl n Bild 2-18: Leerlaufverlustleistung verschiedener Lager (42253) Die zugeführte Leistung führt zu Temperaturerhöhungen im Spindel-Lager-System und den umgebenden Bauteilen. Der Wärmestrom in den Bauteilen erzeugt abhängig von den Bauteileigenschaften Wärmespeicher- und Wärmeabgabeleistung ein Temperaturfeld j. In Verbindung mit den Wärmeausdehnungskoeffizienten i und den Längen l ergeben sich daraus die Wärmedeformationen l j. Diese führen im allgemeinen zu Verlagerungen des Werkzeuges bzw. Werkstückes im Arbeitsraum und zu Maß-, Form- und Lageänderungen der Lagersitze. Aus diesen Änderungen ergeben sich über die lagerinterne Steifheit k Vorspannungsänderungen Fv, die auf die Reibleistung und damit die Wärmezufuhr zurückwirken. Diese Rückwirkung kann zur thermischen Instabilität, d. h. zum Heißlaufen und Fressen der Lagerung führen. Darüber hinaus werden die dynamischen Eigenschaften des Spindelsystems beeinflusst. Die Nachgiebigkeit wird verändert; Eigenfrequenzen verschieben sich. 2-16

10 Bild 2-19: Auswirkungen von Wärmeausdehnungen auf das Verhalten von Spindel-Lager-Systemen (42342) Dynamisches Verhalten Spindel-Lager-Systeme sind schwingungsfähige Systeme. Ihre Schwingungen beeinträchtigen die Form- und Oberflächenqualität der Werkstücke. Sie werden vorwiegend durch periodische oder stoßartige Kräfte angeregt und führen dann erzwungene bzw. freie Schwingungen aus. Die anregenden Kräfte entstehen im Zerspanungsprozess, in der Maschine oder kommen von außen. Beispiele sind die Kräfte durch den Schneideneingriff, besonders bei unterbrochenem Schnitt, durch dynamische Schnittkraftschwankungen, den Zahneingriff in Getrieben, durch Unwuchten, durch die Lager oder die über das Fundament eingeleiteten Kräfte und Schwingungen von anderen Maschinen. Die Kenntnis der Eigenfrequenz eines Spindel-Lager-Systems ist von besonderer Bedeutung, da große Schwingungsamplituden auftreten, wenn das System in den Eigenfrequenzen schwingt. Dies ist bei freien Schwingungen der Fall, kritisch ist es jedoch vor allem bei erzwungenen Schwingungen, wenn die Frequenz der anregenden Kraft mit einer der Eigenfrequenzen, insbesondere denen der unteren Ordnungen, zusammenfällt (Resonanz). Es ist daher erforderlich, periodische Kräfte mit diesen Frequenzen zu vermeiden. Das Schwingungsverhalten eines Spindel-Lager-Systems wird von den statischen Steifheiten seiner Elemente (Spindel, Lager, Gehäuse), der Massenverteilung und der Dämpfung bestimmt. Hohe statische Steifheit ist die Basis für hohe dynamische Steifheit, da sie mit dem Kehrwert in die Schwingungsamplitude eingeht. Die Massenverteilung hängt im wesentlichen von den Spindelquerschnitten und den an der Spindel montierten Massen von Zahnrädern, Riemenscheiben, Futter, Kraftspanneinrichtungen und Werkzeug bzw. Werkstück ab. Dämpfung tritt fast ausschließlich in der Lagerung durch Reibung an den Fügeflächen und im Schmiermittel auf. Die Werkstoffdämpfung der Spindel ist demgegenüber zu vernachlässigen. 2-17

11 2.4 Kugelgewindespindel Eine Kugelgewindespindel ist ein Wälzschraubtrieb mit Kugeln als Wälzkörper. Sie dient zur Umsetzung einer Drehbewegung in eine Längsbewegung oder umgekehrt. Kugelgewindespindeln werden als Antriebs- und Vorschubelemente eingesetzt und weisen dabei folgende Vorteile auf: Hoher mechanischer Wirkungsgrad (bis zu 98%) Hohe Lebensdauer durch verschleißarme Rollreibung Kein Stick-Slip-Effekt Genaue Positionierung durch Muttern ohne Umkehrspiel Hohe Verfahrgeschwindigkeiten möglich Niedrige Eigenerwärmung Geringer Schmiermittelbedarf Da Kugelgewindespindeln keine Selbsthemmung haben ist meist der Einsatz einer Bremse erforderlich. Kugelgewindespindeln sind nur zur Übertragung von axialen Kräften geeignet. Sie müssen so eingebaut werden, dass keine radialen oder exzentrischen Kräfte auf die Mutter einwirken. Die Gesamtsteifigkeit eines Kugelgewindetriebes setzt sich zusammen aus den Steifigkeiten der Spindel und der Mutterneinheit. Die Steifigkeit der Spindel ist dabei abhängig von der Art der Lagerung. Bild 2-20: Kugelrückführsysteme bei Kugelgewindspindeln (42793) Bild 2-21: Kugelgewindespindel Anwendungsbeispiel Plansupport (42808) Um das Axialspiel zu verringern und die axiale Verschiebung aufgrund von Materialverformung möglichst gering zu halten, werden Muttern bei Kugelgewindespindeln vorgespannt. Daneben wird hierdurch auch eine kleinstmögliche Relativbewegung zwischen Mutter und Spindel angestrebt. Man kann hierbei zwischen X- und O-Vorspannung unterscheiden. 2-18

12 X-Vorspannung: Die Kräfte sind nach innen gerichtet. Die Spindel befindet sich im Vorspannbereich unter Druckspannung. Die Vorspannung wird durch Zusammendrücken der Muttern erhöht. O-Vorspannung: Die Kräfte sind nach außen gerichtet. Die Spindel befindet sich im Vorspannbereich unter Zugspannung. Die Vorspannung lässt sich durch Auseinanderdrücken der Muttern erhöhen. Bild 2-22: X- bzw. O-Vorspannung von Mutternsystemen (42254) Bild 2-23: Vorspannung von Mutternsystemen (42806) 2-19