Kurzfassung des Vortrags

Die Hochgeschwindigkeitsbearbeitung ist zu einem Trend geworden und wird zunehmend in der Metallbearbeitung eingesetzt. Um dies zu erreichen, muss die Anzahl der Umdrehungen an der Hauptspindel in Werkzeugmaschinen drastisch erhöht werden. Es gibt jedoch Schwierigkeiten im Zusammenhang mit dem thermischen und dynamischen Verhalten, das die Genauigkeit am meisten beeinträchtigt. Bei der Beobachtung der gesamten Motorspindel sind die genannten Verhaltensweisen meist auf Rollenlager zurückzuführen. Die erzeugte Wärme ist ein wesentlicher Faktor für die Effizienz und Genauigkeit. Die Hauptwärmeeffekte sind verursacht durch die Lager, Elektromotor, Kühlmittelfluss und Umgebungstemperatur. Bei der Beobachtung der Gesamtfehler einer Werkzeugmaschine ist bekannt, dass thermische Ursachen mehr als 70% der Fehler ausmachen.

In Werkzeugmaschinen werden die Lager normalerweise mit synthetischem Öl geschmiert, das äußerst umweltschädlich ist. Wenn jedoch die Ölmenge nicht ausreicht, ist die Schmierung nicht ausreichend, was zu einem unerwünschten Temperaturanstieg und damit zu den auftretenden Verlusten führt. Wenn andererseits die Ölmenge zunimmt, kann die erzeugte Wärme abnehmen und die Lagerlebensdauer bis zu einer bestimmten Grenze zunehmen. Eine übermäßige Zunahme wirkt sich jedoch negativ auf die Umwelt aus und die Energieeffizienz nimmt ab. Das Schmiersystem mit minimaler Ölmenge (MQL - Minimum Quantity Lubrication) erwies sich unter dem Gesichtspunkt der Verluste und der erzeugten Wärme als optimal. In diesem System verteilt Druckluft einen Tropfen Öl, der einen Ölnebel erzeugt, der dann von einem Rohrsystem zu den Lagern geleitet wird, wobei das Öl im Lager zurückgehalten wird und die Luft weiter strömt und in die Atmosphäre gelangt. Ölnebelschmierung wird immer dann verwendet, wenn eine Schmierung mit einer minimalen Ölmenge und einem konstanten Durchfluss erforderlich ist. Obwohl MQL teilweise umweltbewusst verwendet wird, hat es immer noch schädliche Ölanteile, da 1 [l] Öl 1.000.000 [l] insbesondere das Wasser verunreinigt wird.

Es wäre jedoch von großer Bedeutung, einen virtuellen Zwilling zu entwickeln, mit dem der Betrieb bereits vorhandener Spindeln überwacht und optimiert werden kann. Ein weiterer Vorteil digitaler Zwillinge besteht darin frühzeitig in der Entwicklung neuer Motorspindeln einzugreifen und somit das genaue Verhalten des physikalischen Modells vorhersagen zu können. Dies würde zu einer signifikanten Verringerung der negativen Auswirkungen auf die Entwicklungskosten senken, die derzeit bei 65% liegen.

Forschungsplan

Der Forschungsplan ist in zwei Teile gegliedert, wobei sich der erste auf die Definition des FEM-Modells und der zweite auf die Definition des virtuellen Zwillings bezieht (Abbildung 1). Beiden Einheiten sind die Definition des CAD-Modells von Motorspindeln gemeinsam.

Abbildung 1.: Projektplanung

Der einzige Unterschied besteht darin, dass bei der FEM-Analyse des thermischen Verhaltens von Hochgeschwindigkeitsmotorspindeln ein zweidimensionales Modell verwendet wurde, während bei der Definition eines virtuellen Zwillings ein 3D-Modell zur Anwendung kam. Während der FEM-Analyse wurde ein mathematisches Modell entwickelt, das auf der analytischen Berechnung von Randbedingungen basiert, die sich auf die im Stator erzeugte Wärme in Lagern, die Wärmeübertragung durch Wärmeleitung zwischen Teilen, die Wärmeübertragung durch Konvektion zwischen Teilen und Flüssigkeiten beziehen. Ziel dieser Analyse ist es, den Einfluss der Strömung von Stator-Kühlöl und Ölnebel für die Lagerschmierung und -kühlung auf das Wärmeverhalten einer Hochgeschwindigkeits motorspindel zu beobachten. Besonderer Berücksichtigung wird  Lagern gewidmet. .

Definieren eines mathematischen FEM-Modells

Die Geometrie wird im Präprozessormodul basierend auf dem physikalischen Modell der Motorspindel definiert, damit das Modellparameter gestellt werden. Die Analyseart ist die thermische Beobahctung über die Zeit. Ansys Workbench verfügt über eine umfangreiche Materialdatenbank, sodass für jedes Teil ein charakteristisches Material definiert ist. In Bezug auf die Wahl des finiten Element System wurde basierend auf früheren Erfahrungen die Ebene PLANE 188 übernommen und ein Netzwerk mit rechteckigen finiten Element Formen mit einer linearen Formfunktion entwickelt. Das Netzmodell besteht aus 7580 finiten Elementen und 24968 Knoten.

Virtueller Zwilling

In Übereinstimmung mit den aktuellen Trends der vierten industriellen Revolution, der sogenannten Industrie 4.0, stellt die Definition eines virtuellen Zwillings ein bedeutendes Ganzes dar. Aus diesem Grund entstand die Idee, einen virtuellen Zwilling einer Hochgeschwindigkeitsmotorspindel basierend auf einem 3D-Modell zu entwickeln. Nach dem Definieren der Baugruppe müssen die Randbedingungen der Bewegung in Bezug auf statische, kinematisches und dynamisches Verhalten definiert werden. Zu diesem Zweck wurde die PLM-Software Siemens NX, nämlich das Mechatronic Concept Design-Modul – MCD, verwendet. Bisher wurde diesbezüglich das MCD-Modell von Ultrapräzisionslagern mit Schrägkontakt definiert. Der Vorteil dieses Modells ist die Fähigkeit, die Geometrie, das Material, die statische und dynamische Reibung sowie die Rollreibung so zu definieren, dass sie die wichtigsten Einflussfaktoren für die Funktion des Kugellagers sind. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, virtuelle Sensoren im Modell zu definieren, die verschiedene Parameter überwachen können.

Fazit

Die Idee dieses Forschungsvorhabens ist die Ergebnisse der obigen FEM-Analyse des thermischen Verhaltens des Lagers / der Hochgeschwindigkeitsspindel zu vergleichen und sie mit den Ergebnissen zu vergleichen, die man durch die Definition eines virtuellen Zwillings erhält und verifiziert. Der Einsatz eines virtuellen Zwillings als Industrie 4.0-Segment für ein mechatronisches System wäre ein sehr bedeutenderer Fortschritt. Aktuelle Ergebnisse zeigen, wie sich der Kühlmittelfluss auf das Wärmeverhalten auswirkt.

In Bezug auf die aktuelle Situation mit der Entwicklung des virtuellen Zwillings wurde das MCD-Lagermodell erstellt, das mit einem Messprüfstand ausgestattet werden sollte. Auf diese Art könnte man die erzeugte Wärme messen. Das beschriebe Lagermodell sollte in der Motorspindel implementiert werden, um die gewünschten Parameter wie Wärmeerzeugung in Bezug auf Verluste, Energieeffizienz usw. überwachen zu können.

Milos Knezev