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Maschinenbauforschung

Magnetische Führungssysteme optimieren die Zerspanung

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Viele Vorteile bei der Präzisionszerspanung

Bei der spanenden Bearbeitung optischer Oberflächen und mechanischer Präzisionskomponenten begrenzen hohe Genauigkeitsanforderungen oft die Maschinendynamik. Darunter leidet die mögliche Produktivität. Aber genau bei diesen Anwendungen versprechen magnetische Führungssysteme viel Potenzial für eine Produktivitätssteigerung. Denn die schon angesprochene Reibungsfreiheit und die hohe Positioniergenauigkeit samt nahezu unbeschränkten Bewegungsgeschwindigkeiten – bei gleichzeitig hoher Steifigkeit und Dämpfung – helfen bei der Lösung des Dilemmas.

Die Positioniergenauigkeit des aktiven Führungssystems wird maßgeblich durch die integrierten Sensoren zur Luftspaltmessung bestimmt. Darüber hinaus lassen sich auch dynamische Störungen, wie etwa auftretende Kippmomente bei Beschleunigungsvorgängen, effektiv vorsteuern.

Um diese Verbesserungspotenziale praktisch zu untersuchen, wurde im Rahmen der Forschergruppe „Ultra-Precision High Performance Cutting“ am IFW ein einzigartiges 2-Achs-Positioniersystem mit einer elektromagnetisch geführten Hauptvorschubachse aufgebaut (Bild 3). Für die Luftspaltmessung werden hochpräzise kapazitive Sensoren eingesetzt. Die Vorschubbewegung wird dabei mithilfe von eisenfreien Linearmotoren in Verbindung mit einem optischen Linearmaßstab initiiert. Abgesehen von den Strukturkomponenten und den eigens entwickelten Elektromagneten kommen ausschließlich kommerziell verfügbare Komponenten für die Leistungselektronik, die Messtechnik und die Steuerungshardware zum Einsatz.

Bild 3: Ultrapräzisions-Kreuztisch des IFW [a]. Den Aufbau der darin befindlichen elektromagnetischen Linearführung zeigt Bild [b].
Bild 3: Ultrapräzisions-Kreuztisch des IFW [a]. Den Aufbau der darin befindlichen elektromagnetischen Linearführung zeigt Bild [b].
(Bild: IFW)

Die elektromagnetisch geführte Maschinenachse erreicht in Vorschubrichtung eine absolute Positionsgenauigkeit von 0,7 µm. Darüber hinaus kann der schwebende Schlitten mit einer Präzision von weniger als 0,3 µm orthogonal zur Vorschubrichtung positioniert beziehungsweise mit weniger als 2 µrad Abweichung um seine Hauptachsen gedreht werden. So lassen sich systematische Geradheits- und Kippwinkelfehler über einen beliebig großen Verfahrweg gut kompensieren (Bild 4).

Bild 4: So sieht bei der Zerspanung die Kompensation des Rollwinkelfehlers mithilfe der elektromagnetischen Linearführung aus.
Bild 4: So sieht bei der Zerspanung die Kompensation des Rollwinkelfehlers mithilfe der elektromagnetischen Linearführung aus.
(Bild: IFW)

Deshalb liegen der mittlere Geradheitsfehler unterhalb von 1 µm und der mittlere Kippwinkelfehler bleibt unter 2 µrad – und das, im Vergleich zu konventionellen Führungssystemen, bei reduziertem Aufwand für Fertigung, Montage und Ausrichtungsarbeiten. Durch eine bereits angesprochene Vorsteuerung des Kippmoments auf Basis der Sollbeschleunigung lässt sich nicht zuletzt die Verkippung infolge dynamischer Störkräfte des schwebenden Schlittens bei Vorschubbewegungen um 75 % reduzieren. So profitiert man von einer höheren Bewegungsdynamik bei gleichbleibender Genauigkeit der Zerspanung. Während übliche Vorschubgeschwindigkeiten in der Ultrapräzisionszerspanung im Bereich von 300 mm/min liegen, konnten mit der elektromagnetisch geführten Maschinenachse bereits Zerspanungsversuche mit bis zu 6000 mm/min erfolgreich durchgeführt werden. Bei diesen Versuchen konnten Oberflächen mit Rauheitswerten von Sa < 40 nm (mittlere arithmetische Höhe von Oberflächenmerkmalen) erzeugt werden.

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