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Vorspannkompensation eines Doppelmuttersystems auf Basis des thermischen Formgedächtniseffektes

Vortrag gehalten auf der 7. Tagung "Feinwerktechnische Konstruktion", 05./06. November 2013, Dresden
Vorspannkompensation eines Doppelmuttersystems auf Basis thermischer Formgedächtniselemente
 
: Navarro Y De Sosa, Iñaki; Bucht, Andre; Pagel, Kenny; Junker, Tom; Drossel, Welf-Guntram

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presentation urn:nbn:de:0011-n-2666022 (2.1 MByte PDF)
MD5 Fingerprint: 69989278eb42f5e6a929637654a3efb7
Created on: 16.11.2013


2013, 26 Folien
Tagung "Feinwerktechnische Konstruktion" <7, 2013, Dresden>
German
Presentation, Electronic Publication
Fraunhofer IWU ()
Formgedächtnislegierung; Kugelgewindetrieb; energieautarker Aktor; Vorspannungsvariation

Abstract
Zur Verringerung thermischer Fehler wird das thermomechanische Verhalten von Werkzeugmaschinen (WZM) seit Jahren intensiv erforscht und untersucht. Durch Energieverluste in Elektroantrieben und Reibpaarungen ergeben sich örtlich und zeitlich variable Wärmeeinträge in Maschinenteilen und -komponenten. Demzufolge entstehen Wärmeausdehnungen der ganzen WZM-Struktur, die sich auf Prozessgenauigkeit, Lebensdauer der Komponenten und Energiebedarf negativ auswirken. Ein spezieller Fall im Werkzeugmaschinenbau ist die Wälzpaarung bei der Umsetzung der rotatorischen Bewegung von Vorschubantrieben in eine lineare Bewegung am Endeffektor. Neben Trapez- und Rollengewindespindel werden häufig Kugelgewindetriebe (KGT) eingesetzt. Zur präzisen Positionierung wird das Spindel-Muttersystem eines KGT vorgespannt. Die entstehende Reibungswärme führt zur Ausdehnung der Komponenten und damit zu einer Vorspannvariation, welche sich wiederum negativ auf die Präzision bzw. die Lebensdauer des Systems auswirkt.
Thermische Formgedächtnislegierungen (FGL) gehören zu den sogenannten intelligenten Werkstoffen ("smart materials"), deren funktionale Eigenschaften durch wechselnde Temperaturen beeinflusst bzw. geändert werden können. Demzufolge eignen sie sich für sensorische Anwendungen. Außerdem weisen FGL als aktorische Komponenten sowohl ein hohes spezifisches Arbeitsvermögen als auch Robustheit bei mehrachsigen Belastungen auf. Des Weiteren ermöglichen FGL die Entwicklung von energieautarken und selbstregelnden Systemen.
In dieser Arbeit wurde die Vorspannungsvariation an einem KGT mit einer symmetrisch in O-Anordnung vorgespannten Flansch-Doppelmutter gewählt. Der Leitgedanke besteht darin, dass die im KGT erzeugte Reibungswärme genutzt wird um die Muttervorspannung konstant zu halten. Die entstehende Wärme wird zur Aktivierung des FGL-Aktors genutzt, der wiederum auf die Vorspannung zwischen den beiden Muttern wirkt. Um geeignete Eingangsdaten für die Auslegung, Dimensionierung und Simulation des Aktorsystems zu erhalten, wurden verschiedene Messaufbauten an der Vorschubeinheit entworfen und montiert. Damit wurde die Vorspannkraft in Abhängigkeit der Temperatur für verschiedene Einflussparameter gemessen. In Betrachtung der Spindelsteigungsfehler zeigten die Messergebnissen einen starken Abfall der Vorspannkraft aufgrund der langen thermischen Ausdehnung und der Fest-Los-Lagerung der Spindel. Basierend auf diesen Ergebnissen und unter verschiedenen Kriterien wurden unterschiedliche Konzepte entwickelt und eine Vorzugsvariante ausgewählt. Wie in Bild 1 links dargestellt, besteht der FGL-Demonstrator aus zylinderförmigen FGL-Halbzeugen, zwei Hülsen, einer Verspannmutter und einem Festkörpergelenk; das für die Rückstellung der FGL-Zylinder in ihre Ausgangsform zuständig ist. Eine repräsentative Messung des FGL-Aktors am KGT ist in Bild 1 rechts dargestellt. Mit steigender Temperatur sinkt die axiale Kraft kontinuierlich. Der Verlust der Vorspannkraft beträgt 0,8 kN nach 3600 s. Im Gegensatz dazu verringert sich die Vorspannkraft im Betrieb mit der Aktorik bei gleichem Weg, gleicher Vorschubgeschwindigkeit und gleicher Last nach 3600 s im Betrieb nur um 270 N. Nach 6000 s sind es 320 N. Dies entspricht einer Reduzierung des Vorspannverlustes von fast 70 %.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-266602.html