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Folie 1
Das MaschinengestellWS 2008/09 - Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine I - VL 5
Das Maschinengestell
5. Vorlesung
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Das MaschinengestellWS 2008/09 - Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine I - VL 5
Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe Beanspruchungen Auslegung
Grundlagen
Gestellbauarten und -formen
Werkstoffe für Werkzeugmaschinengestelle
Beanspruchungen
beanspruchungsgerechte Auslegung
Inhalt der Vorlesung
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Das MaschinengestellWS 2008/09 - Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine I - VL 5
Definition
Das Gestell einer Werkzeugmaschinen verbindet einzelne Bauteile durch Führungen, damit sie untereinander relativ beweglich sind, oder durch Schrauben und Stifte, damit sie fest verbunden sind.Die wichtigste Forderung an Gestelle:Einhaltung einer genauen Lage einzelner Bauteile zueinander in belastetem und unbelastetem Zustand, eine „steife Ausführung“.
Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe
Quelle: Perovic, B.: Handbuch Werkzeugmaschinen
Beanspruchungen Auslegung
Allgemeine Anforderungen an Werkzeugmaschinengestelle• hohe statische, dynamische und thermische Steifigkeit,• fertigungsgerechte Gestaltung,• ungehinderter Späneabfall und rationelle Späneabfuhr,• ergonomisch günstige Form und• ästhetisch optimale Gestalt
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Das MaschinengestellWS 2008/09 - Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine I - VL 5
Flachbett Schrägbett Frontbett Ständer
Spindel parallel zumFundament
Spindel senkrecht zum Fundament
Bettformen
relative Lagezwischen
Werkzeug undWerkstück
Quelle: Weck, M.: Werkzeugmaschinen Bd. 2
Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe Beanspruchungen Auslegung
Gestellbauformen von Drehmaschinen
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Das MaschinengestellWS 2008/09 - Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine I - VL 5
Beispiel - Flachbettdrehmaschine
Bild: FOTEC GmbH
Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe Beanspruchungen Auslegung
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Bild: INDEX-Werke
Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe Beanspruchungen Auslegung
Beispiel - Schrägbettdrehmaschine
Hauptspindel
Maschinenschrägbett
Revolver oben
Gegenspindel
Revolver unten
Bild: INDEX-G 250
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Bild: Dörries Scharmann
• Großbauteile, keine Biegebeanspruchung der Arbeitsspindel
Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe Beanspruchungen Auslegung
Beispiel - EinständerdrehmaschineEinständermaschinenbett
Schlitten
WerkstückspannfutterWerkzeugwechsel-
einrichtung
Werkzeug-aufnahme
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Das MaschinengestellWS 2008/09 - Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine I - VL 5
Klassifizierung des Gestells in horizontal und vertikal
Verfahrachsen
Bild: INDEX-Werke
Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe Beanspruchungen Auslegung
Z
X
X
ZY
X
Z
Z
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Das MaschinengestellWS 2008/09 - Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine I - VL 5
Konsolständerbauweise Kreuztischbauweise
Konsolbettbauweise Kreuzbettbauweise
Fahrständerbauweise Bohrwerkbauweise
Konsole BettA
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drei
zwei
eins
Quelle: Weck, M.:Werkzeugmaschinen Bd. 2
Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe Beanspruchungen Auslegung
Gestellbauformen von Bohr- und Fräsmaschinen mit horizontaler Bearbeitungsachse
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Das MaschinengestellWS 2008/09 - Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine I - VL 5
Bild: Heller
Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe Beanspruchungen Auslegung
X
Y
Z
Beispiel - Fahrständerbauweise
Gestell eines Bearbeitungszentrum in Fahrständerbauweise
Fahrständer
Schlitten
Maschinenbett
Maschinentisch
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Konsolständerbauweise Kreuztischbauweise
Fahrständerbauweise
Konsole PortalBett
Tischbauweise
Gantrybauweise
Anz
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ger
drei
zwei
eins
Kreuzbettbauweise
Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe Beanspruchungen Auslegung
Quelle: Weck, M.:Werkzeugmaschinen Bd. 2
Gestellbauformen von Bohr- und Fräsmaschinenmit vertikaler Bearbeitungsachse
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Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe Beanspruchungen Auslegung
BettTisch
Ständer
Beispiel - Einständer- Bett-Fräsmaschine
Folie 13
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Beispiel - Konsolständerbauweise
Bild: DMG
Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe Beanspruchungen Auslegung
Tisch Konsole
Ständer
Folie 14
Das MaschinengestellWS 2008/09 - Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine I - VL 5
Bild: Schwäbische Werkzeugmaschinen; Matec Maschinenbau
Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe Beanspruchungen Auslegung
Beispiel - Fahrständerbauweise
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Bild: Mikron
Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe Beanspruchungen Auslegung
Querbalken
Ständer Tisch
Beispiel - Portalbauweise
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Beispiel - Gantrybauweise
• Stabile Bauform, besonders geeignet für höhere Zerspanleistungen bei großflächigenWerkstücken
• Unterschied der Gantrybauweise zur Portalbauweise:• gesamte Maschine muss nur so lang sein, wie das zu bearbeitende Werkstück bzw.
die Aufspannplatte• bei verfahrbarem Tisch wird ca. die doppelte Länge gebraucht
Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe Beanspruchungen Auslegung
Maschinen-portal
Portal-schlitten
Maschinen-bett
Querbalken
Frässupport
Fräskopf
Spanntisch
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Gestellbauformen von Pressen
• Eigenschaften C-Gestelle:– Verwendung bei Pressen kleiner bis mittlerer Baugröße– gute Zugänglichkeit zum Arbeitsraum– Aufbiegen unter Belastung
• Eigenschaften O- Gestelle:– Verwendung bei Pressen ab mittleren Baugrößen– höhere Steifigkeit des Gestelles– steife und genauere Führung des Werkzeuges im Umformprozess
C-GestellEinständerbauart Doppelständerbauart
O-GestellZweiständerbauart
Quelle: Weck, M.: Werkzeugmaschinen Bd. 2
Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe Beanspruchungen Auslegung
Folie 18
Das MaschinengestellWS 2008/09 - Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine I - VL 5
Bild: Müller Weingarten
Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe Beanspruchungen Auslegung
C-Gestell O-Gestell
Beispiele - Gestelle für Pressen
Folie 19
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Anforderungen an Gestellwerkstoffe• Werkstofftechnische Anforderungen
– Festigkeit (Streckgrenze, Dauerfestigkeit) → Sicherheit gegen plastische Verformung und Bruch
– Spezifisches Gewicht → Masseverteilung, statisches und dynamisches Verhalten, Beschleunigungsverhalten
– Elastizitätsmodul, Gleitmodul → statisches und dynamisches Verhalten– Materialdämpfung → dynamisches Verhalten– Reibwert, Härte → Reibungs- und Verschleißverhalten in den Gleitzonen– Eigenspannungen, Kriechen, Relaxation → Langzeitgeometriekonstanz– Thermischer Ausdehnungskoeffizient, spezifische Wärme, Wärmeübergangszahl
→ thermoelastisches Verhalten
• Fertigungstechnische Anforderungen– Bearbeitbarkeit– Schweiß- und Gießfähigkeit
• Wirtschaftliche Anforderungen– Materialkosten– Wirtschaftliche Fertigung
Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe Beanspruchungen Auslegung
Quelle: Weck, M.: Werkzeugmaschinen Bd. 2
Folie 20
Das MaschinengestellWS 2008/09 - Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine I - VL 5
Gestellwerkstoff Grauguss, Stahlguss
Einsatz:
• bei größeren Stückzahlen eines Modells,• bei aus Beanspruchungsgründen
erforderlichen variablen Wandstärken oder
• bei sehr hoch belasteten Pressengestellen Stahlguss oder Sphäroguss (GGG)
Quellen: Weck, M.: Werkzeugmaschinen Bd. 2; Heller
Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe Beanspruchungen Auslegung
Der Aufbau von Gestellen ist oft kompliziert, z. B. durch Wölbungen oder Krümmungen. In diesem Fall bietet Grauguss einfache und vielfältige Gestaltungsmöglichkeiten.
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Das MaschinengestellWS 2008/09 - Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine I - VL 5
Gestellwerkstoff Stahl
Einsatz:• in Schweißkonstruktionen• beim Bau von Groß- und
Sondermaschinen (Einzelfertigung)• in Bearbeitungszentren sowie in
Hochgeschwindigkeitszentren• bei hochfeste Gestelle und geringen
Strukturquerschnitten
Quellen: Weck, M.: Werkzeugmaschinen Bd. 2; IWF;
Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe Beanspruchungen Auslegung
Folie 22
Das MaschinengestellWS 2008/09 - Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine I - VL 5
• Synonyme: Reaktionsharzbeton, Mineralguss
• Einsatz für Gestellbauteile unter 5 m, insbesondere Maschinenbetten
• verformungsunempfindlicher • hoher Aufwand für das Anbringen von
Führungselementen, aber: Austauschbarkeit bei Verschleiß
Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe Beanspruchungen Auslegung
Gestellwerkstoff Polymerbeton
Bilder: Epucret Mineralgusstechnik
Folie 23
Das MaschinengestellWS 2008/09 - Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine I - VL 5
Vor- und Nachteile von Gestellwerkstoffen
-sehr geringe Steifigkeit-geringe Festigkeit-unsicheres Langzeitverhalten-schwierige Verarbeitung-nicht änderbar-schwierige Entsorgung
-sehr gute Dämpfung-große Wärmeträgheit-gut gestaltbar
Polymerbeton
-eingeschränkte Gestaltung-geringe Dämpfung-Schweißverzug-Dauerbruchgefahr
-hohe Steifigkeit-hohe Festigkeit-schnell verfügbar-einfach änderbar-kein Modell erforderlich
Stahl, geschweißt
-sehr geringe Dämpfung-lange Beschaffungszeit-Modellkosten
-freizügig gestaltbar-hohe SteifigkeitStahlguss
-geringe Steifigkeit-geringe Festigkeit-geringe Verschleißbeständigkeit-lange Beschaffungszeiten-Modellkosten
-freizügig gestaltbar-gute Dämpfung-preisgünstig-korrosionsbeständig-gut zerspanbar
Grauguss
NachteileVorteileWerkstoff
Quelle: Conrad,K.-J.: Taschenbuchder Werkzeug-maschinen
Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe Beanspruchungen Auslegung
Folie 24
Das MaschinengestellWS 2008/09 - Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine I - VL 5
Quellen: Weck, M.: Werkzeugmaschinen Bd. 2; Starrag Heckert
Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe Beanspruchungen Auslegung
Kraftfluss einer Werkzeugmaschine
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Belastung von Gestellen
• Belastungen der Gestellbauteile führen zu Verformungen von Bauteilen bzw. Verlagerungen von Baugruppen
Belastungen
Lagezuordnung Werkzeug - Werkstück
Auswirkung auf das Arbeitsergebnisbzw. die Arbeitsgenauigkeit
Verformungen von BauteilenVerlagerungen von Baugruppen
Belastungen können sein:
• statische Kräfte
• dynamische Kräfte
• thermische Dehnungen
Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe Beanspruchungen Auslegung
Folie 26
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Statische Belastung
Verformung
Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe Beanspruchungen Auslegung
M = Moment
Φ = Winkel
Lasteinleitungstatische Belastung Steifigkeit des Gestells abhängig von
Werkstoff Geometrie• Eigengewicht von Bauteilen und Werkstücken
• Spann- und Klemmkräfte
• Gleit- und Rollreibungskräfte
• Zerspankräfte (stat. Anteil)
• Eigenspannungen
• Beschleunigungskräfte
• Einflüsse durch das Fundament
• Lage des Lastangriffs
• Belastungs-art
• Elastizitätsmodul
• Gleitmodul
• Längenver-hältnisse
• Querschnitts-flächen
• Flächenträg-heitsmomente
• Führungen
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Das MaschinengestellWS 2008/09 - Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine I - VL 5
Statische Belastung
Statisches Verhalten eines Gestells:- auftretende elastische Verformungen unter zeitlich konstanter Belastung
Kenngrößen:• Steifigkeit k: Quotient aus belastender Kraft F und Verformung x in Kraftangriffsrichtung
• Nachgiebigkeit: Kehrwert der Steifigkeit
Maschinengestelle sind Parallel- bzw. Reihenschaltungen von Federelementen k:
Eine ausreichende Gesamtsteifigkeit des Gestells erfordert eine ausreichende und abgestimmte Steifigkeit aller im Kraftfluss liegenden Elemente.
k = Fx , bei Torsion k =t
Mϕ
δ = =1k
δxδF
Reihenschaltung:
Parallelschaltung:n
i=1k ikges =
n
i=11
kges1k i
=
M = Moment
Φ = Winkel
Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe Beanspruchungen Auslegung
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Verformungsanalyse einer Portal-Langfräsmaschine
TraverseStänderQuerbalkensupportQuerbalken
Pinole u. SpindelTisch
H
Fst
zx
yBelastung:Fx,y = 50 kN
200
μm
150
100
50
0 Fx FxFy Fy
H = 3800 mm
H = 1150 mm
Spindel
Pinole
Support
Quer-balken
StänderVerfo
rmun
g Δx
, Δy
Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe Beanspruchungen Auslegung
Quelle: Weck, M.: Werkzeugmaschinen Bd. 2
Folie 29
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Dynamische Belastung
• Dynamische Belastungen führen zu Schwingungen der gesamten Werkzeugmaschine
• Beeinflusst durch:– Schwingungsfähige Massen– Masseverteilung– Dämpfung: Materialdämpfung, Dämpfung in Fügestellen– Steifigkeit
• Kenngrößen:– Eigenfrequenzen– Dämpfung– Eigenschwingungsformen– Dynamische Nachgiebigkeit (frequenzabhängig)
Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe Beanspruchungen Auslegung
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Charakteristische Eigenschwingungen von Gestellbauteilen
Starrkörperschwingungen
Relativverlagerung in den Führungen und Fügestellen
Biege- und Torsionsschwingungen
Eigenverformungen von Gestellbauteilen
Kippen Heben Schieben Drehen
Biegen Tordieren
Quelle: Weck, M.: Werkzeugmaschinen Bd. 2
Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe Beanspruchungen Auslegung
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Thermische Störeinflüsse
externe Störeinflüsse
Hallenklima - vertikale / horizontale Temperaturverteilung- Temperaturschwankungen (Tag / Nacht, Klimaanlage)- Luftströmungen (Gebläse)
direkter Strahleneinfluß - Sonne- Heizkörper- benachbarte Anlagen
Wärmesenken - Fundamente- geöffnete Hallentore, Fenster
interne Störeinflüsse
Antriebs-verluste
Zerspanungs-wärme
Motoren, Pumpen
Führungen Hydraulik- system
Lager
Getriebe, Kupplungen
Werkzeug, Werkstück, Späne, Kühlschmier- mittel
1
2
3
4
5
4
1
2
5
3
Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe Beanspruchungen Auslegung
Thermische Belastung
Thermische Belastungen
Externe Einflüsse Interne Einflüsse
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Beanspruchungsgerechte Auslegung von Gestellbauteilen: Einfluss auf die Bauteilsteifigkeit
Mathematische Beschreibungen des statischen, dynamischen und thermischen Verhaltens sind nur für einfache Aufgabenstellungen durch die Grundgleichungen der Elasto- bzw. Thermomechanik möglich.Beispiel: Statische Steifigkeiten eines kastenförmigen Hohlprofils bei verschiedenen Belastungen
Biegung: k =b = c •E • ψψ³
aMf
b
b
Schub: k =sFs
G • Aψ • b=
Zug / Druck: k =z
Ff
z
z
E • Aψ=
Torsion: k =t
Mt
ϕ =G • I
lt
l
a
s
Querschnitt A
aBauteilabmessung aBauteillänge LWandstärke s
Elastizitätsmodul ESchubmodul GKonstante c
Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe Beanspruchungen Auslegung
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Erhöhung der Steifigkeit durch Verrippungen der Ständer
Quelle: Weck, M.: Werkzeugmaschinen Bd. 2
Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe Beanspruchungen Auslegung
Folie 34
Das MaschinengestellWS 2008/09 - Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine I - VL 5
Verbesserung des dynamischen Verhaltens• Durch Belassen von Kernsand im
Gussgestell:– Erhöhung der Biegesteifigkeit von
136 N/µm auf 189 N/µm (senkrecht) und um 142 N/µm auf 196 N/µm (waagerecht)
– Erhöhung der Torsionssteifigkeit von 2.8x106 Nm/rad auf 4,2x106
Nm/rad
Quelle: EPUCRET Mineralgusstechnik
Bild: Tönshoff, H.: Werkzeugmaschinen
Schwingungsabklingkurven bei Drehmaschinen
Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe Beanspruchungen Auslegung
Kernsand
• Durch Verwenden von Polymerbetonbetten– deutlich verbesserte Dämpfungs-
eigenschaften des Maschinenbettes – Reduzierung der maximalen
Schwingungsamplitude
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Verbesserung des thermischen Verhaltens
• Konstruktive Maßnahmen– Verringerung der Wärmequellen
• z. B. Wärmequellen außerhalb der Maschine
– Verringerung der Auswirkungen• z. B. thermisch optimierte
Konstruktion, Werkstoffauswahl• Kompensatorische Maßnahmen
– Mit Eingriff in den Energiehaushalt• z. B. geregelte Kühlung
– ohne Eingriff in den Energiehaushalt• z. B. Entwicklung von
Kompensationsalgorithmen• Umgebungseinfluss
• z. B. Raumtemperatur konstant
Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe Beanspruchungen Auslegung
Bild: Gebr. Heller Maschinenfabrik