Simulation des Wärmegangs von Werkzeugmaschinen

Bei verschiedenen Betriebszuständen und schwankenden Umgebungseinflüssen treten an Werkzeugmaschinen thermisch bedingte Verschiebungen zwischen Werkzeug und Werkstück auf. Die simulationsgestützte Ermittlung dieser Verschiebungen ist aufgrund steigender Genauigkeitsanforderungen eine notwendige Voraussetzung bei der Entwicklung von Werkzeugmaschinen. Im Bereich statischer und dynamischer Eigenschaftsermittlung von Werkzeugmaschinen hat sich die Finite-Elemente-Methode etabliert, die sich auch zur Berechnung von Temperaturfeldern und daraus resultierenden Verschiebungen anbietet. Aufgrund sehr komplexer, teilweise nichtlinearer physikalischer Effekte bei der Ausbildung des Temperaturfeldes ist die Genauigkeit der Simulationsergebnisse deutlich geringer, als dies derzeit für strukturmechanische Berechnungen der Fall ist. Ziel des Forschungsvorhabens war es, die Simulationsgenauigkeit bei der Bestimmung thermisch bedingter Verlagerungen zu verbessern. Es wurden hierzu Ersatzmodelle für verschiedene Komponenten erstellt und basierend auf dem Vergleich mit umfangreichen Messungen die relevanten thermischen Parameter ermittelt. Weiterhin wurden die Randbedingungen durch aufwendige Messungen in einer Thermozelle eingehend analysiert, und durch Vergleiche mit den Simulationsergebnissen Handlungsbedarfe für weitere Untersuchungen ausgearbeitet. Mit Hilfe empirischer Berechnungsvorschriften konnten die Konvektionsrandbedingungen detailliert berücksichtigt werden. Zur Ermittlung der thermischen Lasten aufgrund der Leistungsverluste in Vorschubantrieben wurde eine Methode zu deren Bestimmung aus den NC-Programmen entwickelt und verifiziert. Mit Hilfe der erwähnten Maßnahmen konnte eine deutliche Verbesserung der Simulationsgenauigkeit erreicht werden. Dabei muss festgestellt werden, dass die erreichte Ergebnisqualität eine genaue Kenntnis der Randbedingungen erfordert, die im Rahmen des Projektes nur durch umfangreiche Messungen ermöglicht wurde.