Simulationsbasierte Methodik zur Analyse der thermisch bedingten Verlagerung von Werkzeugmaschinenkomponenten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die thermische Untersuchung von Werkzeugmaschinen rückt immer mehr in den Fokus von Werkzeugmaschinenentwicklern und -konstrukteuren. Dabei ist die Prognose des thermomechanischen Verhaltens während der Entwicklung eine angestrebte Kompetenz. Die Ergebnisse aus den hier beschriebenen Projektarbeiten leisten zu dieser Bestrebung einen erheblichen Beitrag. Innerhalb dieses Projektes ist es gelungen, eine Simulationsmethodik zu entwickeln, die eine detaillierte, aber gleichzeitig aufwandsarme thermische Analyse von Werkzeugmaschinen erlaubt. Der besondere Fokus dieser Arbeiten lag auf der aufwandsreduzierten Randbedingungs- und Wärmequellendefinition sowie auf der detaillierten Beschreibung der Strömungsrandbedingungen. Zur Identifikation von relevanten Parametern sind umfangreiche Messungen an einer Drehund einer Fräsmaschine durchgeführt worden. Im Rahmen dieser Untersuchungen wurden thermisch bedingte Verlagerungen des Tool Center Point aufgenommen und es wurden Temperaturmessungen an unterschiedlichen Maschinenkomponenten, Temperaturmessungen in der Halle, Zerspankraftmessungen, Leistungsmessungen in den Antrieben, Temperaturmessungen während des realen Zerspanungsprozesses und mit nachgebildeter Temperatur sowie Messungen der Luftzirkulation durchgeführt. Die Messungen bilden die Grundlage für die Modellierung von komplexen Wärmequellen und insbesondere für die Integration des Zerspanungsprozesses in die Simulation. Mit Hilfe der Wirkpunktverlagerung und der gemessenen Temperaturwerte standen darüber hinaus Vergleichsdaten für die Validierung der Struktursimulation zur Verfügung. Das Ziel der aufwandsarmen thermischen Analyse konnte im Rahmen der Struktursimulation der Drehmaschine mit der Entwicklung einer Konvertierungsschnittstelle erreicht werden. Diese ermöglicht es, schon vorhandene strukturmechanische Modelle direkt in thermische Modelle zu transformieren. Darüber hinaus konnte im Rahmen eines Wärmequellenmodells gezeigt werden, wie sich komplexe Wärmeeinträge in die Maschinenstruktur direkt aus der Bearbeitungsaufgabe ableiten lassen. Dabei wurde insbesondere auf eine ganzheitliche Modellierung des Zerspanungsprozesses abgezielt, die sowohl die direkten wie auch die indirekten Einflüsse auf das Strukturverhalten umfasst. Die detaillierte Modellierung der konvektiven Randbedingungen wurde im Rahmen dieses Vorhabens mit Hilfe einer CFD-Simulation umgesetzt. Anhand der beiden Maschinenmodelle wurden zulässige Vereinfachungsmöglichkeiten untersucht und erste Simulationen durchgeführt. Für die gekoppelte Struktur- und Strömungssimulation wurde ein vereinfachtes Modell der Fräsmaschine ausgewählt, da die Komplexität der Abbildung des Zusammenspiels aller Maschinenkomponenten zu untragbar hohen Rechenzeiten geführt hätte. Durch die darauf aufbauende Kopplung von thermomechanischer Struktursimulation auf FEM-Basis und Simulation des die Maschine umgebenden Luftvolumens mit einem CFD-Modell ist eine optimale Ausnutzung der Stärken beider Simulationen und somit eine ganzheitliche Betrachtung der thermischen Vorgänge möglich. Insgesamt konnten die im Rahmen dieses Vorhabens durchgeführten Arbeiten die thermomechanische Simulation von Werkzeugmaschinen weiter vorantreiben. Die Ergebnisse im Bereich des Strukturmodells erlauben eine erhebliche Aufwandsreduzierung beim Aufbau thermischer Modelle und der Definition ihrer Randbedingungen. Die Strömungsberechnung zeigt auf, wie in Zukunft detaillierte Prognosen bezüglich der Wärmeabfuhr an die Umgebungsluft mit einbezogen werden können. Weiterer Handlungsbedarf ist jedoch in der Berücksichtigung komplexer Maschinenmodelle in der Strömungssimulation zu sehen. Für die Berechnung der Strukturrandbedingungen gilt es in Zukunft Möglichkeiten zu entwickeln, um den Einfluss von Spänen und Kühlschmierstoffen in der Simulation beschreiben können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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FE Analysis for Thermal Behaviour of Machine Tools. In: Ito, Y. (Hrsg.): Thermal Deformation in Machine Tools. New York: McGraw-Hill 2010, S. 143-177. ISBN: 9780071635172
Zaeh, M. F.; Maier, T.
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Simulation des thermischen Maschinenverhaltens. ZWF 105 (2010) 7- 8, S. 655-659
Zäh, M. F.; Maier, T.
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Thermische Simulation von Werkzeugmaschinen zur Verbesserung der Fertigungsgenauigkeit. In: Integrationsaspekte der Simulation: Technik, Organisation und Personal. Karlsruhe, 7. und 8. Oktober 2010; 14. Fachtagung der Arbeitsgemeinschaft Simulation; ASIM-Fachtagung "Simulation in Produktion und Logistik"
Franke, J.; Kühl, A.; Martin, N. A. A.
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Experimental Evaluation of the Thermal Machine Tool Behavior for Model Updating. International Journal of Automation Technology (IJAT) 6 (2012) 2, S. 125-136
Franke, J.; Maier, T.; Schäfer, F.; Zaeh, M. F.
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Modeling of the Thermomechanical Process Effects on Machine Tool Structures. Procedia CIRP 4 (2012) S. 72-77. Proceedings of the 3rd CIRP Conference on Process Machine Interactions. Nagoya, 29.-30. Oktober 2012
Maier, T.; Zaeh, M. F.
