Eliminieren und kompensieren: Wie Doosan mit Wärmeausdehnung umgeht

Diejenigen von uns, die in der Zerspanung tätig sind, erinnern sich an die Wärmelehre, ohne ihr altes Physikbuch aus der Schule herauskramen zu müssen (Bewegung + Reibung = Wärmeenergie). Wir beschäftigen uns tagtäglich mit den praktischen Auswirkungen der Wärmelehre. Erstens erzeugt die Zerspanung von Metall Wärme. Herumwirbelnde, heiße Späne erwärmen nicht nur die Luft in der CNC-Anlage, sondern auch die Temperatur des Kühlmittels. Zusätzliche Reibung – und damit mehr Wärmeenergie – wird durch die Lager, Riemen, Spindelmotoren, Führungen und Kugelumlaufspindeln erzeugt, um nur einige Wärmequellen zu nennen. Auch die Umgebungstemperatur in der Werkshalle kann zum Wärmestau beitragen.

Die Auswirkungen von Wärme auf Werkzeugmaschinen

Die Wärmezunahme ist der Feind der Präzisionsbearbeitung, da Wärme sich ausbreitet -heiß nach kalt (da sind wir wieder bei der Physik). Beispielsweise verteilt sich die Wärme in einem vertikalen Bearbeitungszentrum mit C-Rahmen-Konstruktion in das Gussgehäuse und bewirkt eine Ausdehnung in der Y-Achse und der Z-Achse. Wenn sich die Y-Achse ausdehnt, neigt der Maschinenständer dazu, sich nach vorne und unten zu neigen.

Metall dehnt sich aus, wenn die Temperatur in der Anlage steigt, und zieht sich zusammen, wenn sie sich normalisiert. Diese Erwärmungs- und Abkühlungsvorgänge können den ganzen Tag über andauern, wenn die Maschine während der Aufspannung oder der Mittagspause stillsteht. Diese Wärmefluktuation erschwert wiederholbare Präzisionsarbeiten unter Einhaltung geringer Toleranzen.

Wenn diese Temperaturschwankungen nicht kompensiert werden, können sie sich fatal bei der Fertigung von Präzisionsbauteilen auswirken.

Wärmeeliminierung an der Quelle

Vor der Wärmekompensation versuchen wir zunächst, das Strahlungswärmepotenzial an möglichst vielen Quellen innerhalb der Maschine zu beseitigen und zu mindern. Schauen wir uns zum Beispiel die horizontalen Bearbeitungszentren NHP4000 und NHP5000 an, die für eine minimale thermische Verlagerung ausgelegt sind.

Mit Standardmerkmalen, wie Kühlmäntel an Kugelumlaufspindeln und einem Mechanismus, der gekühltes Öl durch Kugelumlaufspindelwellen leitet, sind die X-, Y- und Z-Achsen der NHP Serie so ausgelegt, dass sie die Wärme reduzieren. Ein Spindelkühlsystem gewährleistet die für eine optimale Genauigkeit erforderliche gleichmäßige Spindeltemperatur, indem Kühlöl durch die Lager und Motorwicklungen geleitet wird. Darüber hinaus passt sich ein konstantes Vorspannsystem an den Spindellagern aktiv an, während die Spindel läuft.

Heiße Späne werden schnell entsorgt, indem große Mengen Kühlschmierstoff in einer Kombination aus Spül- und Spindeldurchlaufkühlung verwendet werden. Ein optionaler Kühlschmierstoffkühler stellt sicher, dass der Kühlschmierstoff nicht das Problem, sondern Teil der Lösung ist.

Nachdem so viele Wärmequellen wie möglich eliminiert wurden, besteht der nächste Schritt darin, die Restwärme zu kompensieren.

Passive Wärmekompensation

Ein passives System basiert auf der Messung der Wärmezunahme an verschiedenen mit einer bestimmten Geschwindigkeit laufenden Maschinen; die Messergebnisse werden geplottet und es wird eine Routine erstellt, die alle Maschinen ergebnisbasiert anpasst. Diese Methode kann zwar funktionieren, jedoch erlauben es die statischen Einstellungen nicht, die Bedingungen, die durch Variablen, wie die Umgebungstemperatur der Werkshalle und inkonsistente Wärmespitzen aus Quellen wie Kühlschmierstoff und Spänen verursacht werden, zu einem beliebigen Zeitpunkt zu ändern.

Die Extrapolation aus einer Stichprobe bedeutet, dass einzelne Maschinen außerhalb des Medians liegen und sehr unterschiedliche Wärmeausdehnungsraten aufweisen können. Ein passives System kann mehr schaden als nutzen, da es den Eindruck erweckt, dass die Wärmedehnung kompensiert wird, obwohl dies möglicherweise nicht der Fall ist.

Aktive Wärmekompensation

Anstatt der passiven Wärmekompensation verwendet die Doosan NHP Serie ein aktives sensorgestütztes System. Das Wärmewachstum wird mit mehreren Sensoren in der gesamten Maschine gemessen. Ein Sensor misst die (normale) Umgebungstemperatur des Gussgehäuses. Ein weiterer ist direkt in der Spindel montiert. Optionale Sensoren können überall im Maschinenständer angebracht werden, insbesondere an der Spindelhalterung. Die Steuerung sammelt Datenpunkte von allen Sensoren dieser bestimmten Maschine und verwendet die Informationen, um die Positionen der einzelnen Achsen kontinuierlich zu messen und automatisch zu kompensieren. Die Maschinisten/innen können Kompensationswerte und Zeitsteuerungsparameter einstellen, die von der NHP Maschine übernommen werden.

Mit der Wärme fertig werden

Mit diesem aktiven Eliminierungs- und Kompensationssystem kann die Baureihe NHP die Wärmeausdehnung um 70 Prozent oder mehr reduzieren! Eine vollständige Eliminierung der Wärmedehnung ist zwar nicht möglich, jedoch ist dieser Ansatz besser, als ständig Toleranzen zu messen oder darauf zu hoffen, dass die passive Wärmekompensationsmethode die gewünschten Ergebnisse liefert. Wir sind der Meinung, dass dies der bessere Weg ist, Präzisionsteile für Ihre Kunden zu fertigen.

Wenn Sie mehr über die Kompensation der Wärmeausdehnung oder die NHP Serie erfahren möchten, kontaktieren Sie bitte einen Doosan-Vertriebshändler in Ihrer Nähe.