Thermo-energetische Gestaltung von Werkzeugmaschinen

Die spanende Bearbeitung von Bauteilen ist nach wie vor für einen Großteil der Formgebungsprozesse alternativlos, wie sich u. a. aus der gestiegenen Zahl produzierter spanender Werkzeugmaschinen weltweit ableiten lässt. Für die deutsche Werkzeugmaschinen-Produktion wurde für das Jahr 2012 ein Anteil von insgesamt 55,4 % an spanenden Werkzeugmaschinen ermittelt. Ebenso stellen die Qualitätsanforderungen der zu bearbeitenden Bauteile sowie deren Komplexität nach wie vor die größten Herausforderungen dar. Die inzwischen gute Beherrschung der statischen Auslegung von Maschinenstrukturen und die fortgeschrittene Servotechnik von Vorschubachsen tragen bereits zu hoher Präzision bei. Aktuelle Werkzeugmaschinenkonzepte sind dynamisch ausgereift und gezielt bedämpft. Aber auch für die Zukunft wird die Forderung nach Unempfindlichkeit der Werkzeugmaschinen gegenüber thermischer und mechanischer Last prognostiziert. Gleichzeitig nehmen Kleinserien- und Einzelfertigung zu. Damit verbundene ständige Wechsel zwischen Rüst- und Bearbeitungsprozessen verhindern das Erreichen des thermischen Beharrungszustandes der Werkzeugmaschine. Höhere Mengenleistungen erfordern größere Haupt- und Vorschubantriebsleistungen, die im Falle der Hauptantriebe prinzipbedingt größtenteils in Wärmeströme an der Wirkstelle des Zerspanungsprozesses dissipiert werden und im Falle der Vorschubantriebe über den Umweg erhöhter Reibleistungen von mechanischen Antriebs- und Führungselementen oder über erhöhte Verlustleistungen der Antriebe selbst ebenfalls höhere Wärmeströme erzeugen. Beides führt zu einer Zunahme thermo-elastischer Verformungen. Aktuelle Quellen gehen von einem Anteil thermoelastisch verursachter Fehler an allen Werkstückfehlern von 50 bis 80 % aus. Konventionelle Maßnahmen zur Verringerung thermo-elastischer Fehler wie Temperierung von tragenden Strukturbereichen der Werkzeugmaschinen mittels rückzukühlender Fluide, Klimatisierungsmaßnahmen ganzer Fertigungsbereiche sowie der Dauerbetrieb thermisch stabilisierender Hydraulikkreisläufe auch in Leerlauf-Prozessfenstern werden bereits erfolgreich praktiziert. Diese Maßnahmen und Vorgehensweisen erhöhen allerdings durchweg den Energieverbrauch. Die Forschungsarbeiten der 19 Teilprojektes des SFB/TR 96 verfolgen hingegen den Ansatz, spanende Werkzeugmaschinen zu Fertigungsqualität und Wirtschaftlichkeit unter den Bedingungen einer energieeffizienten Produktion durch konstruktive und steuerungstechnischen Lösungen zu befähigen. Damit besteht das Ziel des SFB/TR 96 in der Lösung des Zielkonflikts von Energieeinsatz, Genauigkeit und Produktivität bei der spanenden Fertigung.