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Das MaschinengestellWS 2008/09 - Bearbeitungssystem Werkzeugmaschine I - VL 5

Das Maschinengestell

5. Vorlesung

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Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe Beanspruchungen Auslegung

Grundlagen

Gestellbauarten und -formen

Werkstoffe für Werkzeugmaschinengestelle

Beanspruchungen

beanspruchungsgerechte Auslegung

Inhalt der Vorlesung

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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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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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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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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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Konsolständerbauweise Kreuztischbauweise

Konsolbettbauweise Kreuzbettbauweise

Fahrständerbauweise Bohrwerkbauweise

Konsole BettA

nzah

l der

Ach

sen

im W

erkz

eugt

räge

r

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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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

ahl d

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Wer

kzeu

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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

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Beispiel - Konsolständerbauweise

Bild: DMG

Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe Beanspruchungen Auslegung

Tisch Konsole

Ständer

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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

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Bild: Müller Weingarten

Grundlagen Gestellbauarten Gestellwerkstoffe Beanspruchungen Auslegung

C-Gestell O-Gestell

Beispiele - Gestelle für Pressen

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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

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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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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

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• 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

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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

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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

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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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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

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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

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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

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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