Statisches und dynamisches Verhalten einer Außenrundschleifmaschine. - Ausgangszustand und Empfehlungen -
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- Jacob Michel
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1 Statisches und dynamisches Verhalten einer Außenrundschleifmaschine - Ausgangszustand und Empfehlungen - Dr.-Ing. Rouven Meidlinger planlauf GmbH
2 Gliederung Einleitung und Aufgabenstellung Statisches Verhalten Dynamisches Verhalten usammenfassung und Empfehlungen 2
3 Einleitung und Aufgabenstellung Einleitung Der Auftraggeber entwickelt derzeit eine Außenrundschleifmaschine zur Bearbeitung von Antriebs- und Kurbelwellen. Die ielsteifigkeit liegt bei 30 N/µm in -Richtung relativ zwischen Schleifscheibe und einer stabilen Welle (Durchmesser in der Mitte 100 mm, an den Enden 50 bzw. 70 mm). Aufgabenstellung Statisches Verhalten inkl. Schwachstellenanalyse Dynamisches Verhalten (Frequenzgänge/Schwingungsformen) Abhängigkeit des dynamischen Verhaltens von dem eingespannten Werkstück (Kurbelwelle und einseitig eingespannte Welle) Dynamisches Verhalten des Abrichters Erarbeitung von Empfehlungen zur Verbesserung des statischen und dynamischen Verhaltens 3
4 Aufbau des Finite-Elemente-Modells Führungen -Achse: INA RUE 45 E (4 Wagen / 2 Schienen) -Achse: INA RUE 45 E (4 Wagen / 2 Schienen) U-Achse: INA KUVE 15 (4 Wagen / 2 Schienen) Kugelgewindespindeln -Achse: 50x10 mit INA ARF Achse: 63x20 mit INA ARF U-Achse: 12x3 mit INA KLF 1255 Schleifspindel (//\ ) Vorne: 3x Spindellager B7020E.UL Hinten: ylinderrollenlager N1016K Werkstück- und Pinolenspindel Vorne: 3x Spindellager B7015E.UL Hinten: ylinderrollenlager N1011K Abrichterspindel Vorne: 2x Spindellager B7004E.UL Hinten: ylinderrollenlager NJ 202 B-Achse: INA RT 200 mit Klemmung Werkstoffe Bett: Mineralguss -/-Schlitten, alle Spindelgehäuse: EN-GJS-400 Abrichterkonsole: EN-GJL-250 alle anderen Bauteile: Stahl Verankerungsfreie 4-Punkt-Aufstellung Isoloc UMS5/ASF-30 4
5 Gliederung Einleitung und Aufgabenstellung Statisches Verhalten Steifigkeiten und Schwachstellenanalyse Dynamisches Verhalten usammenfassung und Empfehlungen 5
6 Statische Belastung in -Richtung Statische Steifigkeit in -Richtung k,rel = 24,8 N/µm k,wg = 42,0 N/µm k,wst = 60,8 N/µm Anteile der einzelnen Komponenten an der Gesamtverformung Führungen 5,5% KGTs 6,9% Bett 9,0% -Schlitten 6,4% Reitstockspindel 14,0% -Schlitten 5,0% Spindelgehäuse inkl. B-Achs-Lager 9,3% Werkstück 14,4% Schleifspindel 16,3% Werkstückspindel 8,4% Schleifscheibe 4,7% 6
7 Statische Belastung in -Richtung Statische Steifigkeit in -Richtung k,rel = 19,6 N/µm k,wg = 29,3 N/µm k,wst = 58,9 N/µm Anteile der einzelnen Komponenten an der Gesamtverformung Reitstockspindel 11,2% KGTs 0,4% Führungen 3,1% Bett 2,0% -Schlitten 5,8% -Schlitten 1,6% Spindelgehäuse inkl. B-Achs-Lager 14,5% Werkstück 15,4% Werkstückspindel 9,3% Schleifspindel 27,5% Schleifscheibe 9,2% 7
8 Statische Belastung in -Richtung Statische Steifigkeit in -Richtung k,rel = 8,8 N/µm k,wg = 9,1 N/µm k,wst = 245,2 N/µm Anteile der einzelnen Komponenten an der Gesamtverformung KGTs 2,2% Führungen 2,1% Reitstockspindel 2,4% Werkstück 0,6% Werkstückspindel 2,4% Bett 1,7% -Schlitten 1,8% -Schlitten 1,7% Spindelgehäuse inkl. B-Achs-Lager 4,0% Schleifspindel 19,2% Schleifscheibe 61,8% 8
9 Gliederung Einleitung und Aufgabenstellung Statisches Verhalten Dynamisches Verhalten Frequenzgänge und Schwingungsformen usammenfassung und Empfehlungen 9
10 Real [µm/n] Phase [ ] Nachgiebigkeit[µm/N] Relative Nachgiebigkeitsfrequenzgänge 10 0,01 0,001 0, , Statik 0,04025 µm/n Statik 24,85 N/µm 26,06 Hz / 0,04315 µm/n 75,51 Hz / 0,17629 µm/n 118,71 Hz / 0,02155 µm/n 199,99 Hz / 0,22351 µm/n 282,49 Hz / 0,04100 µm/n 376,27 Hz / 0,27695 µm/n 546,39 Hz / 0,02137 µm/n 821,30 Hz / 0,00224 µm/n Statik 0,05115 µm/n Statik 19,55 N/µm 26,06 Hz / 0,05305 µm/n 74,99 Hz / 0,10909 µm/n 146,05 Hz / 0,15470 µm/n 182,18 Hz / 0,10724 µm/n 206,30 Hz / 0,04940 µm/n 250,32 Hz / 0,04015 µm/n 369,83 Hz / 0,34670 µm/n 482,50 Hz / 0,18052 µm/n 804,45 Hz / 0,00290 µm/n Statik 0,11359 µm/n Statik 8,80 N/µm 26,15 Hz / 0,11657 µm/n 80,35 Hz / 0,22307 µm/n 199,99 Hz / 0,82919 µm/n 283,47 Hz / 0,32398 µm/n 374,97 Hz / 0,18032 µm/n 538,89 Hz / 0,28026 µm/n 771,79 Hz / 2,30801 µm/n 841,40 Hz / 0,32092 µm/n 914,11 Hz / 0,74851 µm/n G,REL G,REL G,REL Dominante Resonanzfrequenzen 76 Hz - Schieben des -Schlittens - Kippen der Schleifeinheit in - Richtung 200 Hz - Biegeschwingung der Schleifspindel 284 Hz - Kippen des Schleifflanschs 376 Hz - Biegeschwingung des Systems aus Werkstückspindel, Werkstück und Reitstockspindel 772 Hz - Biegeschwingung 2. Ordnung der Schleifscheibe -2, Frequenz [Hz]
11 Real [µm/n] Phase [ ] Nachgiebigkeit[µm/N] Ansolute Nachgiebigkeitsfrequenzgänge in -Richtung 10 0,01 0,001 0, G,REL G,SCHLEIF G,WST Dominante Resonanzfrequenzen 76 Hz - Schieben des -Schlittens - Kippen der Schleifeinheit in - Richtung 200 Hz - Biegeschwingung der Schleifspindel 284 Hz - Kippen des Schleifflanschs 376 Hz - Biegeschwingung des Systems aus Werkstückspindel, Werkstück und Reitstockspindel 772 Hz - Biegeschwingung 2. Ordnung der Schleifscheibe ,0-2, Frequenz [Hz]
12 Real [µm/n] Phase [ ] Nachgiebigkeit[µm/N] Ansolute Nachgiebigkeitsfrequenzgänge in -Richtung 10 0,01 0,001 0, G,REL G,SCHLEIF G,WST Dominante Resonanzfrequenzen 76 Hz - Schieben des -Schlittens - Kippen der Schleifeinheit in - Richtung 200 Hz - Biegeschwingung der Schleifspindel 284 Hz - Kippen des Schleifflanschs 376 Hz - Biegeschwingung des Systems aus Werkstückspindel, Werkstück und Reitstockspindel 772 Hz - Biegeschwingung 2. Ordnung der Schleifscheibe ,0-2, Frequenz [Hz]
13 Real [µm/n] Phase [ ] Nachgiebigkeit[µm/N] Ansolute Nachgiebigkeitsfrequenzgänge in -Richtung 10 0,01 0,001 0, G,REL G,SCHLEIF G,WST Dominante Resonanzfrequenzen 76 Hz - Schieben des -Schlittens - Kippen der Schleifeinheit in - Richtung 200 Hz - Biegeschwingung der Schleifspindel 284 Hz - Kippen des Schleifflanschs 376 Hz - Biegeschwingung des Systems aus Werkstückspindel, Werkstück und Reitstockspindel 772 Hz - Biegeschwingung 2. Ordnung der Schleifscheibe ,0-2, Frequenz [Hz]
14 Schwingungsform bei 26 Hz Aufstellschwingung in -Richtung 14
15 Schwingungsform bei 27 Hz Aufstellschwingung in -Richtung 15
16 Schwingungsform bei 76 Hz Schieben des -Schlittens Kippen der Schleifeinheit in -Richtung 16
17 Schwingungsform bei 80 Hz Kippen der Schleifeinheit in -Richtung 17
18 Schwingungsform bei 146 Hz Schieben des -Schlittens Kippen der Schleifeinheit in -Richtung 18
19 Schwingungsform bei 182 Hz Schieben des -Schlittens Kippen der Schleifeinheit in -Richtung Lokale Verformung des -Schlittens im Bereich des -KGT-Festlagers 19
20 Schwingungsform bei 200 Hz Biegeschwingung der Schleifspindel 20
21 Schwingungsform bei 250 Hz Biegeschwingung der Schleifspindel Torsion und Biegung des Betts 21
22 Schwingungsform bei 284 Hz Kippen des Schleifflanschs 22
23 Schwingungsform bei 370 Hz Biegeschwingung des Systems aus Werkstückspindel, Werkstück und Reitstockspindel 23
24 Schwingungsform bei 375 Hz Axialschwingung der Schleifspindel Biegeschwingung 1. Ordnung der Schleifscheibe 24
25 Schwingungsform bei 376 Hz Biegeschwingung des Systems aus Werkstückspindel, Werkstück und Reitstockspindel 25
26 Schwingungsform bei 459 Hz Schieben des Abrichterschlittens Biegung der Abrichterkonsole 26
27 Schwingungsform bei 483 Hz Torsionsschwingung der Schleifspindel 27
28 Schwingungsform bei 539 Hz Kippen des Schleifflanschs 28
29 Schwingungsform bei 544 Hz Axialschwingung des Systems aus Werkstückspindel, Werkstück und Reitstockspindel Kippen des Schleifflanschs 29
30 Schwingungsform bei 662 Hz Biegeschwingung 2. Ordnung des Systems aus Werkstückspindel, Werkstück und Reitstockspindel in -Richtung Torsion des Betts 30
31 Schwingungsform bei 772 Hz Biegeschwingung 2. Ordnung der Schleifscheibe 31
32 Schwingungsform bei 797 Hz Torsion der Abrichterkonsole Biegeschwingung der Abrichtspindel 32
33 Schwingungsform bei 841 Hz Biegeschwingung 1. Ordnung der Schleifscheibe Gegenphasige Axialschwingung der Schleifspindel 33
34 Schwingungsform bei 882 Hz Biegeschwingung 2. Ordnung des Systems aus Werkstückspindel, Werkstück und Reitstockspindel in -Richtung 34
35 Schwingungsform bei 914 Hz Biegeschwingung 3. Ordnung der Schleifscheibe 35
36 Gliederung Einleitung und Aufgabenstellung Statisches Verhalten Dynamisches Verhalten Werkstück Kurbelwelle usammenfassung und Empfehlungen 36
37 Phase [ ] Real [µm/n] Nachgiebigkeit[µm/N] Relative Nachgiebigkeitsfrequenzgänge mit der Kurbelwelle 10 3, Hz 1, Hz 0, Hz 0,01 0,001 0, Die dynamische Nachgiebigkeit steigt bei der Kurbelwelle sehr stark an Statik 0,08678 µm/n Statik 11,52 N/µm 26,24 Hz / 0,09016 µm/n 74,99 Hz / 0,21162 µm/n 199,30 Hz / 0,28412 µm/n 280,54 Hz / 1,51059 µm/n 527,84 Hz / 0,03994 µm/n 743,02 Hz / 0,00817 µm/n 904,69 Hz / 0,00723 µm/n Statik 0,12225 µm/n Statik 8,18 N/µm 26,15 Hz / 0,12468 µm/n 74,47 Hz / 0,17913 µm/n 145,04 Hz / 0,22887 µm/n 180,93 Hz / 0,21347 µm/n 205,59 Hz / 0,18994 µm/n 279,58 Hz / 3,09161 µm/n 480,84 Hz / 0,18669 µm/n 633,87 Hz / 0,57861 µm/n Dünne Linien = Referenzwelle Dicke Linien = Kurbelwelle Statik 0,12408 µm/n Statik 8,06 N/µm 26,15 Hz / 0,12709 µm/n 80,35 Hz / 0,23201 µm/n 199,99 Hz / 0,82416 µm/n 283,47 Hz / 0,32792 µm/n 374,97 Hz / 0,19082 µm/n 538,89 Hz / 0,34949 µm/n 771,79 Hz / 2,30975 µm/n 841,40 Hz / 0,32092 µm/n 914,11 Hz / 0,74996 µm/n G,REL G,REL G,REL ,0-2, Frequenz [Hz]
38 Schwingungsform bei 280 Hz Biegeschwingung der Kurbelwelle in -Richtung 38
39 Schwingungsform bei 281 Hz Biegeschwingung der Kurbelwelle in -Richtung 39
40 Schwingungsform bei 634 Hz Torsionsschwingung der Kurbelwelle 40
41 Gliederung Einleitung und Aufgabenstellung Statisches Verhalten Dynamisches Verhalten Werkstück Einseitig eingespannte Welle 70 usammenfassung und Empfehlungen 41
42 Phase [ ] Real [µm/n] Nachgiebigkeit[µm/N] Relative Nachgiebigkeitsfrequenzgänge mit der einseitig eingespannten Welle , Hz 2, Hz 0,01 0,001 0, ,0 Die dynamische Nachgiebigkeit steigt bei der einseitig eingespannten Welle stark an. Statik 0,14423 µm/n Statik 6,93 N/µm 26,42 Hz / 0,14837 µm/n 74,47 Hz / 0,26637 µm/n 198,61 Hz / 0,51166 µm/n 252,06 Hz / 2,35722 µm/n 548,28 Hz / 0,03188 µm/n Statik 0,15652 µm/n Statik 6,39 N/µm 26,33 Hz / 0,15961 µm/n 74,22 Hz / 0,21770 µm/n 145,04 Hz / 0,29742 µm/n 180,93 Hz / 0,32351 µm/n 207,73 Hz / 0,38384 µm/n 252,06 Hz / 5,22214 µm/n 484,17 Hz / 0,17982 µm/n Dünne Linien = Referenzwelle Dicke Linien = Einseitig eingespannte Welle 70 Statik 0,12221 µm/n Statik 8,18 N/µm 26,15 Hz / 0,12523 µm/n 80,35 Hz / 0,22974 µm/n 199,99 Hz / 0,83803 µm/n 251,19 Hz / 0,17420 µm/n 283,47 Hz / 0,32675 µm/n 374,97 Hz / 0,18366 µm/n 484,17 Hz / 0,14362 µm/n 538,89 Hz / 0,29013 µm/n 771,79 Hz / 2,30869 µm/n 841,40 Hz / 0,32020 µm/n 914,11 Hz / 0,75037 µm/n G,REL G,REL G,REL -2, Frequenz [Hz]
43 Schwingungsform bei 251 Hz Schwingung des Werkstücks in -Richtung 43
44 Schwingungsform bei 252 Hz Schwingung des Werkstücks in -Richtung 44
45 Gliederung Einleitung und Aufgabenstellung Statisches Verhalten Dynamisches Verhalten Frequenzgänge und Schwingungsformen des Abrichters usammenfassung und Empfehlungen 45
46 Real [µm/n] Phase [ ] Nachgiebigkeit[µm/N] Absolute Nachgiebigkeitsfrequenzgänge des Abrichters ,01 0,001 0, ,0 Statik 0,07865 µm/n Statik 12,71 N/µm 25,70 Hz / 0,11314 µm/n 73,71 Hz / 0,07022 µm/n 106,66 Hz / 0,06968 µm/n 145,55 Hz / 0,06779 µm/n 174,18 Hz / 0,06924 µm/n 210,62 Hz / 0,07220 µm/n 407,38 Hz / 0,19564 µm/n 705,50 Hz / 0,08597 µm/n 870,96 Hz / 0,08105 µm/n 966,05 Hz / 0,06092 µm/n Statik 0,12810 µm/n Statik 7,81 N/µm 25,35 Hz / 0,12837 µm/n 63,75 Hz / 0,12929 µm/n 78,43 Hz / 0,12835 µm/n 146,05 Hz / 0,12988 µm/n 212,81 Hz / 0,13469 µm/n 404,58 Hz / 0,16309 µm/n 877,00 Hz / 1,43239 µm/n Statik 0,13133 µm/n Statik 7,61 N/µm Das dynamische Verhalten in -Richtung ist unauffällig. In - und -Richtung zeigen sich allerdings die Biegeschwingungen der Abrichterwelle. 80,91 Hz / 0,12188 µm/n 144,05 Hz / 0,12364 µm/n 712,85 Hz / 0,69621 µm/n 962,72 Hz / 0,15852 µm/n G,ABRICHTER G,ABRICHTER G,ABRICHTER -2, Frequenz [Hz]
47 Schwingungsform bei 407 Hz Schieben des Abrichterschlittens Biegung der Abrichterkonsole 47
48 Schwingungsform bei 713 Hz Gieren des Abrichterschlittens Biegung der Abrichterwelle 48
49 Schwingungsform bei 877 Hz Nicken des Abrichterschlittens Biegung der Abrichterwelle in - Richtung Schwingung des U-KGT-Motors in - Richtung mit Verformung der Abrichterkonsole 49
50 Gliederung Einleitung und Aufgabenstellung Statisches Verhalten Dynamisches Verhalten usammenfassung und Empfehlungen 50
51 6d [µm/n] k [N/µm] usammenfassung Statisches Verhalten Die ielsteifigkeit von 30 N/µm in -Richtung für das Referenzwerkstück wird um ca. 17% verfehlt. 50 Referenzwerkstück Kurbelwelle Einseitig eingespannte Welle Die Verformungsanteile des B-Achs-Lagers sowie der Schleif-, Werkstück- und Reitstockspindel sind vergleichsweise hoch, so dass an diesen Stellen entsprechendes Verbesserungspotenzial vorliegt ,8 ielsteifigkeit -Richtung 19,6 Dynamisches Verhalten 10 11,5 6,9 8,2 6,4 8,8 8,1 8,2 Die dynamischen Nachgiebigkeiten werden sehr stark von dem Werkstück und der Art der Einspannung bestimmt. 0 k,wg k,wg k,wg Mit der Kurbelwelle liegt die dynamische Nachgiebigkeit um den Faktor 5,4 über dem Wert für das massive Referenzwerkstück und erreicht bereits 64% des Wertes der einseitig eingespannten Welle. 5,22 Die dynamischen Nachgiebigkeiten mit der Kurbelwelle liegen so hoch, dass eine dynamisch stabile Bearbeitung ohne Lünetten äußerst unwahrscheinlich ist. Die dominanten Schwachstellen werden auf den folgenden Seiten zusammen mit den Empfehlungen näher erläutert x 5,4 0,28 1,51-36% 2,36 0,35 3,09 2,31 2,31 2,31 d,wg d,wg d,wg 51
52 Empfehlungen (1/6) Statische Schwachstelle in -Richtung Biegung der Werkstück- und Reitstockspindel Verformungsanteile Kippen im B-Achs-Lager Biegung der Schleifspindel Biegung der Werkstück- und der Reitstockspindel Empfehlung Vergrößerung des B-Achs-Lagers von RT 200 auf RT 260 (= doppelte Kippsteifigkeit) Optimierung der Lagerung und der Spindeldurchmesser von Schleif-, Werkstück- und Reitstockspindel (z.b. mit planlauf/spindle, vgl. letzte Folie) Biegung der Schleifspindel 52
53 Empfehlungen (2/6) Dynamische Schwachstelle bei 76 Hz Kippen im B-Achs-Lagers Schwingungsform Schieben des -Schlittens Kippen der Schleifeinheit in -Richtung Ursache Geringe Kippsteifigkeit des B-Achs-Lagers Großer Hebelarm zwischen Schleifachse und B-Achs-Lager Empfehlung Vergrößerung des B-Achs-Lagers von RT 200 auf RT 260 (= doppelte Kippsteifigkeit) Reduzierung des Abstands zwischen Schleifachse und B- Achs-Lager in -Richtung 53
54 Empfehlungen (3/6) Dynamische Schwachstelle bei 200 Hz Schwingungsform Biegeschwingung der Schleifspindel Ursache Großer Abstand zwischen der Schleifscheibe und dem vorderen Lager in Kombination mit dem Gewicht des Schleifflanschs inkl. der Schleifscheibe Empfehlung Verringerung des Hebelarms zwischen Schleifscheibe und vorderem Lager Vergrößerung des Durchmessers der Schleifspindel Untersuchung alternativer Lagerkonzepte Verwendung einer Gegenlagerung für die Schleifspindel Biegung der Schleifspindel 54
55 Empfehlungen (4/6) Dynamische Schwachstelle bei 284 Hz Schwingungsform Kippen des Schleifflanschs Ursache Geringe Steifigkeit der Verschraubung von Schleifflansch und Schleifscheibe Empfehlung Verschraubung auf einem größeren Durchmesser, Ausführung der Schleifspindel mit einem Absatz Kippen des Schleifflanschs 55
56 Empfehlungen (5/6) Dynamische Schwachstelle bei 376 Hz Biegeschwingung Schwingungsform Biegeschwingung des Systems aus Werkstückspindel, Werkstück und Reitstockspindel Ursache Geringe Steifigkeiten der Lagerung der Werkstück- und Reitstockspindel Schweres Werkstück mit einem geringen Durchmesser auf der Reitstockseite Empfehlung Optimierung der Lagerung und der Spindeldurchmesser von Werkstück- und Reitstockspindel (z.b. mit planlauf/spindle, vgl. letzte Folie) 56
57 Empfehlungen (6/6) Dynamische Schwachstelle bei 376 Hz Schwingungsform Biegeschwingung 2. Ordnung der Schleifscheibe Ursache Großer Durchmesser der Schleifscheibe kombiniert mit einer geringen Breite Empfehlung Beim Schulterschleifen können die Biegeschwingungen höherer Ordnung eventuell zu Schwingungen führen. In diesem Fall besteht nur die Möglichkeit, Schleifscheiben mit kleinerem Durchmesser zu verwenden. Biegeschwingung 2. Ordnung 57
58 Optimierung von Hauptspindeln mit planlauf/spindle Beispiel: Modell der Werkstückseite 58
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