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Maschinenbauforschung Magnetische Führungssysteme optimieren die Zerspanung

Autor / Redakteur: B. Denkena, B. Bergmann, T. Brühe, R. Krüger, T. Schumacher, J. Fuchs und J.-Ph. Schmidtmann / Peter Königsreuther

Produktivität, Qualität und Präzision sollen stets mehr werden. Das fordert Werkzeugmaschinenbauer heraus. Aktive Magnetlager könnten sich dabei als enorm hilfreich herauskristallisieren.

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Bild 1: Magnetische Lagersysteme für Maschinen erforscht man am IFW in Hannover: [a] Mögliche Lageranordnung um eine magnetisch geführte Maschinenkomponente. [b] Aufbauprinzip eines Magnetlagers.
Bild 1: Magnetische Lagersysteme für Maschinen erforscht man am IFW in Hannover: [a] Mögliche Lageranordnung um eine magnetisch geführte Maschinenkomponente. [b] Aufbauprinzip eines Magnetlagers.
(Bild: IFW)

Lager und Führungen ermöglichen die Relativbewegungen zwischen Werkzeug und Werkstück. Sie bestimmen auch wesentlich die Genauigkeit und Dynamik einer Maschine. Eine Führungsalternative mit besonders hohem Potenzial sind aktive Magnetlager. Das Funktionsprinzip eines solchen Lagers für einen Freiheitsgrad zeigt Bild 1. Elektromagneten erzeugen vom jeweiligen Spulenstrom abhängige Kräfte, die durch einen Luftspalt hindurch auf die geführte Maschinenkomponente wirken. Die Luftspaltbreiten werden ständig berührungslos gemessen. Eine Regelung stellt abhängig von den Luftspalten die Magnetkräfte über den Spulenstrom so ein, dass die geführte Maschinenkomponente in der Schwebe gehalten und präzise feinpositioniert werden kann.

Am Institut für Fertigungstechnik und Werkzeugmaschinen (IFW) der Leibniz Universität Hannover wird der Nutzen von magnetischen Führungen schon Jahre praxisnah erforscht. Dabei wurden nicht nur die vielen Vorteile von Magnetführungen identifiziert, sondern auch ganz neue Maschinenkonzepte umgesetzt. Vier praktische Beispiele sollen nun verdeutlichen, was Magnetführungen können.

Unbegrenzte Drehzahl für den Rundschwenktisch? Kein Problem!

Die Fertigung räumlicher Freiformflächen bedarf 5-Achs-Werkzeugmaschinen mit Rundschwenktisch. Die Reibung in den üblichen YRT-Wälzlagern des Tischs begrenzt die erreichbare Drehzahl desselben. Magnetführungen aber erzeugen keine Reibung, weswegen die mögliche Drehzahl nur noch durch den Antrieb beschränkt wird.

Auch kann der nun schwebende Tisch dynamisch feinpositioniert und die Dämpfung im Kraftfluss angepasst werden. Das erhöht die Produktivität beim Fräsdrehen enorm.

Und es gibt noch ein Plus, denn das Reibmoment kann um den Faktor 100 reduziert werden. Bei Drehzahlen über 1000 min-1 wird sogar weniger elektrische Energie für das Schweben benötigt, als ein YRT-Wälzlager zur Überwindung des Lagerreibmoments bräuchte. Der Tisch wird auch nicht mehr so warm, was die Präzision bei der Zerspanung erhöht.

Im Rahmen des Projekts „Magnetisch gelagerte Rundachse zum Einsatz in der Produktregeneration“ wurde mit Siemens und MAG IAS ein Prototyp eines solchen Rundschwenktisches mit 500 mm Durchmesser entwickelt und erforscht. Sein YRT-Wälzlager hat man dazu durch eine magnetische Lagerung mit zwölf Elektromagneten ersetzt (Bild 2).

Bild 2: Prinzipieller Aufbau eines magnetisch gelagerten Drehschwenktisches.
Bild 2: Prinzipieller Aufbau eines magnetisch gelagerten Drehschwenktisches.
(Bild: IFW)

Mit dieser Neuentwicklung kann man die Position des Tisches mit einer Genauigkeit von rund ±0,3 mm dynamisch einstellen. So gelingt die adaptive Anpassung an der Rotationsachse und das zeitraubende Feinjustieren zylindrischer Bauteile ist Vergangenheit.

Weil die Magnetlagerkräfte bekannt sind, kann man aus ihnen den Werkstückschwerpunkt ableiten. Das heißt, man kann die Aufspannung respektive Wuchtung rasch korrigieren. Rundschwenktische sind bekanntlich auch austauschbar und quasi Standardhardware, weshalb man eine bestehende Anlage einfach umrüsten kann.

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.

Magnetführungen bewähren sich im Gießerei- und Umformsektor

Werkzeuge für die Gießerei- und Umformtechnik, Komponenten aus Flugzeugtriebwerken oder Gas- und Dampfturbinen sind komplexe, hoch beanspruchte Bauteile mit hohem Reparaturaufkommen. Im Schadensfall muss zur Wiederherstellung der Bauteilgestalt und Eigenschaften Material mittels additiver Verfahren aufgetragen und anschließend spanend nachbearbeitet werden. Diese sogenannte Rekonturierung ist aufgrund freigeformter Geometriemerkmale, individueller Materialaufträge und insbesondere wegen der Nachgiebigkeit von Werkstück und Werkzeug äußerst herausfordernd.

Magnetführung gleicht Abdrängungseffekte aus

Im Projekt „Geschickte Reparaturzelle“ im Rahmen des Sonderforschungsbereichs 871 erforscht das IFW den Einsatz aktiver elektromagnetischer Führungen für die Rekonturierung von Triebwerksschaufeln aus der zivilen Luftfahrt. Ziel ist es, die sensorischen und aktorischen Fähigkeiten der Führung zu nutzen, um die prozesskraftbedingte Abdrängung von Werkzeug und Werkstück dynamisch zu kompensieren und somit Gestaltabweichungen zu minimieren. Die auftretenden Prozesskräfte können dabei direkt aus den bestimmbaren und somit bekannten Magnetlagerkräften abgeleitet werden. Mithilfe eines Modells zur Bestimmung der elastischen Verformung des Werkzeugs wird auf Basis dieser Prozesskräfte dessen Abdrängung in Echtzeit berechnet. Die relative Verlagerung zwischen Werkzeug und Werkstück wird dann durch eine Korrekturbewegung der Magnetführung ausgeglichen.

Zur Umsetzung dieses Ansatzes steht am IFW eine einzigartige Versuchsmaschine zur Verfügung. Die „Neximo“ (Bild 5) ist eine 5-Achs-CNC-Fräsmaschine, die eigens für die Erforschung der Magnetführungstechnologie durch das IFW entwickelt wurde.

Bild 5: Blick auf den Maschinenprototyp „Neximo“ mit seiner elektromagnetisch geführten Z-Achse.
Bild 5: Blick auf den Maschinenprototyp „Neximo“ mit seiner elektromagnetisch geführten Z-Achse.
(Bild: IFW)

Die Führung des Schlittens erfolgt dabei mit acht Elektromagneten in O-Anordnung. Diese erzeugen jeweils eine maximale Zugkraft von 15 kN und sind mit je einem Wirbelstromsensor zur Ermittlung des Arbeitsluftspalts ausgestattet. Schwebt der Schlitten in Neutralposition, sind die Arbeitsluftspalte 0,5 mm breit. In Kombination mit einem performanten Regelungssystem auf Basis eines handelsüblichen Industrie-PCs erlaubt die Z-Achse hochdynamische Kompensationsbewegungen in der X-Y-Ebene. Der Stellweg beträgt bis zu 0,2 mm. Die hohe Stelldynamik und der Regelungstakt von lediglich 50 µs erlauben gegenüber konventionellen Maschinenachsen deutlich kürzere Reaktionszeiten und wirken sich somit positiv auf das Kompensationsergebnis aus. Bei der Wiederherstellung von Triebwerksschaufelgeometrien konnten so die Formabweichungen aufgrund der Werkstücknachgiebigkeit bereits um mehr als 60 % reduziert werden.

Die Vorteile eines magnetgelagerten Planarmotors

Für die Fertigung von präzisen Bauteilen, wie zum Beispiel Spritzgussformen ist mindestens eine dreiachsige Relativbewegung zwischen Werkzeug und Werkstück notwendig. Daraus resultiert, dass mindestens zwei Achsen übereinander angeordnet sein müssen. Dabei trägt und beschleunigt die unterlagerte Achse stets die auf ihr angeordnete Achse. Durch die unterschiedlichen bewegten Massen und variierende Massenschwerpunkte unterscheidet sich sowohl das Beschleunigungs- als auch das dynamische Verhalten der gekoppelten Achsen. Die erreichbare Maschinendynamik und Steifigkeit am Werkstück wird dadurch herabgesetzt.

Am IFW wurde daher im Projekt „Grundlagen eines Mehrkoordinaten-Positioniersystems für spanende Werkzeugmaschinen“ durch die Kombination eines planaren Antriebs mit einer magnetischen Flächenführung ein neues Maschinenkonzept geschaffen. Die planaren Vorschubkräfte in den Hauptachsen (X- und Z-Achse) des MPS werden durch einen synchronen permanentmagneterregten Planarmotor (SPMPM) erzeugt (Bild 6).

Bild 6: Aufbau des Mehrkoordinaten-Positioniersystems (MPS).
Bild 6: Aufbau des Mehrkoordinaten-Positioniersystems (MPS).
(Bild: IFW)

Dieser bringt die benötigte Kraft direkt entlang zweier Achsen auf. Er zeichnet sich durch eine kompakte Bauweise und eine einfache Ansteuerbarkeit durch zwei industrieübliche Umrichter aus. Um in einem Folgeprojekt auch eine Drehung um die B-Achse realisieren zu können, ist der SPMPM in vier Module aufgeteilt. Noch wird der B-Freiheitsgrad (FHG) durch eine mechanische Verdrehsperre blockiert. Die drei übrigen Freiheitsgrade (A, C und Y) werden von der aktiv geregelten elektromagnetischen Flächenführung kontrolliert.

Geometrische Fehler der Führungsflächen werden eliminiert

Das so realisierte Mehrkoordinaten-Positioniersystem (MPS) erreicht in zwei Vorschubachsen eine ausgeglichene hohe Dynamik, ohne dass zwei Achsen gestapelt werden müssen. Aufgrund der Möglichkeit der Feinpositionierung der Magnetführungen können geometrische Fehler der Führungsflächen wie bei der Präzisionsachse kompensiert werden. Durch den deutlich größeren Führungsluftspalt von 300 µm können Führungsflächen aus Präzisionsflachstahl DIN 59350 mit Grenzmaßen von 50 µm ohne zusätzliche mechanische Bearbeitung, wie sie bei hydro- oder aerostatischen Führungen notwendig ist, eingesetzt werden - dies spart Kosten bei der Fertigung, Qualitätskontrolle und Montage der Führungsflächen. Nach der Kompensation der geometrischen Fehler liegt die absolute Positioniergenauigkeit der Y-Achse bei 0,5 µm. Weiterhin treten durch die Reibungsfreiheit der Magnetführung im Gegensatz zu klassisch geführten Vorschubachsen bei Kreisfahrten keine Abweichungen an den Quadrantenübergängen auf. Dadurch erreicht das MPS bei in einem Kreisformtest der Vorschubachsen (X, Z) eine mit handelsüblichen WZM vergleichbare maximale radiale Abweichung von 1,2 µm. Mit dem MPS wird somit eine sehr hohe statische und dynamische Genauigkeit erreicht.

Hannover ist die Quelle der Magentlagerexpertise

Die Arbeiten am IFW haben gezeigt, dass elektromagnetische Führungen in der Produktionstechnik zahlreiche Vorteile gegenüber konventionellen Technologien bieten. Bei den gezeigten Projekten wurde von Beginn an auf eine gute Übertragbarkeit in die Praxis geachtet, beispielsweise durch den Einsatz standardisierter, industriell verfügbarer Hardware. Das zur Auslegung, Konstruktion und Inbetriebnahme nötige Know-how wird regelmäßig in verschiedenen Transferprojekten an interessierte Partner aus der Industrie weitergegeben und erweitert.

Neben dem Einsatz in spanenden WZM werden am IFW zukünftig noch weitere Anwendungsbereiche für magnetisch gelagerte Maschinenkomponenten erforscht. Im Rahmen des Exzellenzclusters „PhoenixD“ wird deshalb eine magnetisch geführte Linearachse zum Einsatz in additiven Fertigungsprozessen zur Herstellung von Präzisionsoptiken entwickelt. Dadurch kann das Werkstück während des Herstellungsprozesses exakt und dynamisch in allen Raumrichtungen ausgerichtet werden, wodurch feine optische Strukturen in kurzer Zeit gefertigt werden können.

Danksagung der Autoren

Die Autoren bedanken sich für die finanzielle Unterstützung in den Projekten „Elektromagnetische Ultrapräzisions-Linearführung“, gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen der Forschungsgruppe FOR 1845 „Ultra-Precision High Performance Cutting“ (Projektnummer 211652309), sowie „Magnetisch gelagerte Rundachse zum Einsatz in der Produktregeneration“, gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) – SFB 871 – 119193472.

„Geschickte Reparaturzelle“, gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) – SFB 871/3 – 119193472;

„Grundlagen eines Mehrkoordinaten-Positioniersystems für spanende Werkzeugmaschinen“, gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) – Projektnummer 259798414;

„PhoenixD“, gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder innerhalb des Exzellenzclusters PhoenixD (EXC 2122, Projekt-ID 390833453).

* www.ifw-uni-hannover.de

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