Führungen Lager - TUHH · 12.01.2010 FL.4 Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack Weck 2 - 0037 - 0 Bewegungsarten Führungen in Werkzeugmaschinen Verstellführungen geradlinig kreisförmig

12.01.2010FL.1

Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack

FFüührungenhrungenundund

Lager Lager

12.01.2010FL.2


•• Sichern der geometrisch bestimmten LageSichern der geometrisch bestimmten Lagezwischen Werkzeug und Werkstzwischen Werkzeug und Werkstüückck

•• Aufnehmen von BelastungenAufnehmen von Belastungen

•• Bestimmung der BewegungsrichtungBestimmung der Bewegungsrichtung

Aufgaben von Führungen und Lagern

2- 1206 - 4Rall

12.01.2010FL.3


Fräsmaschinenschlitten Bohrwerkspindel Drehbankspindel

5 entzogene Freiheitsgrade 4 entzogene Freiheitsgrade 5 entzogene Freiheitsgrade

bleibt: bleibt: , bleibt: y y

Element mit 6 Freiheitsgraden

translatorisch: , , rotatorisch:

x y zαx αy αz, ,

αy

αxαy

αx

αz

x

yz

Bewegungsfreiheitsgerade geführter Werkzeugmaschinenelemente

rechtsorientierteskartesisches KOS

12.01.2010FL.4


2 - 0037 - 0Weck

Bewegungsarten

Führungen in Werkzeugmaschinen

Verstellführungen

geradlinig

kreisförmig

geradlinig undkreisförmig

während desBearbeitungsprozesses

bewegt

während desBearbeitungsprozessesbewegt oder geklemmt

während desBearbeitungsprozessesgeklemmt o. verschraubt

Reitstock an einerDrehmaschine

Schlitten einerHobelmaschine

Spindel einesBohrwerkes

Kreuztischführungan einer

Universalfräsmaschine

Lagerung einesSternrevolvers

Beispiel

Spindellager

Führung Säule-Auslegereiner

Auslegerbohrmaschine

Lagerung eines Trommel-revolvers beim Plan-bzw. Längsdrehen

Bewegungsführungen

Führung und Lagerungen in Werkzeugmaschinen

12.01.2010FL.5


Herstell-fehler

Normal-kräfte

Schub-kräfte

Erwär-mung

Fremd-stoffe

Ober-flächengüte

Lage- undFormgen.

Kontakt-steifigkeit

Dämpfungs-vermögen

Reib-verhalten

Langzeit-genauigkeit

Reib-leistung

Wärmeüber-tragung

Eindring-schutz

Ent-sorgung

Störeinflüsse

Anforderungen an Führungen

Funktion der Führung

2 - 0039 - 0

Störeinflüsse und Anforderungen an Führungen

Rall

12.01.2010FL.6


2- 0042 - 4

Momentanpol

Momentanpol

Schwerpunkt

stabil

Schwerpunkt

instabilTischbahn enger

Tischbahn weiter

Lagestabilität von Führungen

Rall

12.01.2010FL.7


Fremdkörperschutz

abstreifend abdeckend

Schlittenkante umbaute Führung.

starre Abdeckung

Faltenbälge

Abdeckbänder

Teleskopabdeckung

Abstreifer (Gew. Elast.)

Druckluft

Druckflüssigkeit

2- 0046 - 4

Möglichkeiten zum Führungsbahnschutz

Rall

12.01.2010FL.8


2 - 0048 - 0INA

Teleskopabdeckung

12.01.2010FL.9


2 - 0047 - 0

G.Filter

Schema zur Auswahl von Führungen

12.01.2010FL.10


2 - 0040 - 0

Grundformen und abgeleitete Formen als Führungsprinzip

Rall

12.01.2010FL.11


12.01.2010FL.12


12.01.2010FL.13


Geschlossene Geradführung

Rall

12.01.2010FL.14


2 - 0038 - 0

G. Filter

Aufbau einer Geradführung

12.01.2010FL.15


2 - 3371 - 5TUHHPROF.DR.-ING. K.RALL

Profilschienenführung

12.01.2010FL.16


Mx

Fy Fz

Kugel Rolle

x-Anordnung der Wälzkörper O-Anordnung der Wälzkörper

Kugel Rolle

Mx

Fy Fz

Kugel-Umlaufführungen

2-PunktKontakt

4-PunktKontakt

Mx

Fy Fz

Modifizierte O-Anordnung der Wälzkörper

2-PunktKontakt

Mx

Fy Fz

2- 3245 - 4INA, Star

Übersicht über Bauarten von Profilschienenwälzführungen

12.01.2010FL.17


2- 2632 - 2

Verkeilen Verklemmen

Verkeilen und Verklemmen

Rall

12.01.2010FL.18


12.01.2010FL.19


HaftreibungFestkörperreibung

Mischreibung Flüssigkeitsreibung

Gleitführungen von Dreh-und Fräsmaschinen

hydrodynamische Radial- undAxiallager, Gleitführung von Hobelmaschinen und Pressen-stößeln

Rei

bung

skoe

ffizi

ent

Gleitgeschwindigkeit v

Übertragungsgeschwindigkeit vüca. 10mmin

µ

Stribeck - Kurve

12.01.2010FL.20


Gleitbelagtechnik GmbH 2 - 0044 - 0

Reibungskennlinien von beschichteten und unbeschichteten Führungsbahnen

12.01.2010FL.21


12.01.2010FL.22


Modell Stick-Slip

SchaublinSchaublin

12.01.2010FL.23


SchaublinSchaublin

Zeit

Schlittenbewegung

soll

Stick-Slip

haften

gleiten

Soll-Ist-Bewegung

Vorschubgeschwindigkeit

m

Reibkraft

Federkraft

Führung

12.01.2010FL.24


Vorschubgeschwindigkeit

m

Reibkraft

Federkraft

Führung

[ ]

[ ]

0 rel

0 rel

( ) cos für 0( )

( )cos für 0

v v

v v

mgt v

cq t v tmg

t vc

µ µ Ω µ

µ µ Ω µ

− − >− ⋅ = − + <

Stick-Slip

SchaublinSchaublin

12.01.2010FL.25


1.1. Reibwertdifferenz µ0 - µv möglichst klein halten.

2.2. Haftreibung und Gleitreibung durch geeignete Mittel (Schmiermittel, Beschichtung der Führungen) verringern.

3.3. Masse m möglichst klein halten

4.4. Steifigkeit c der Elemente des Vorschubantriebesmöglichst groß gestalten.

Einflussgrößen Stick-Slip

12.01.2010FL.26


9 - 2206 - 8

Milberg

Tribo-System bei Gleitführungen

12.01.2010FL.27


12.01.2010FL.28


12.01.2010FL.29


Wie verhWie verhäält sich der Druck in lt sich der Druck in den Taschen und in Richtung den Taschen und in Richtung der Abstrder Abströömstrecken?mstrecken?

Hydrostatische Führung

pT pT pT

pA

12.01.2010FL.30


Gesetz von Hagen-Poisseuille und effektive Fläche

3

T 0( )12

b hQ p p

lη= −

QÖlzufuhr

Ölabfluss

Ölabfluss

l

b h

Spalt

Spalt

b hl h >> >>

p0

pT

FF

12.01.2010FL.31


0,A

F p da p p p∆ ∆= = = −∫∫

Tasche AußenkanteAußensteg

p

p0

xl

dd , consteff

a

A

F p a p∆ ∆= =∫∫

deff

eff

A

F p a A p∆ ∆= =∫∫

p

p0

xl

l/2

Idee der effektiven Fläche I

In erster Näherung läge eine linearer Druckabfall vor.

12.01.2010FL.32


QÖlzufuhr

Ölabfluss

Ölabfluss

l

b h

Spalt

Spalt

b hl h

>> >>

p0

pT

FF

AAeffeff

Idee der effektiven Fläche II

pT Taschendruck sein konstant

12.01.2010FL.33


eff

T

0 0

Kraft

effektive Fläche mit konstantem Überdruck

Durchflussmenge

Taschendruck

Umgebungsdruck (Annahme: 0)

Abströmbreite

Abströmlänge

Ölspalthöhe (Flughöhe)

F

A p

Q

p

p p

b

l

h

∆===== ====

Gesetz von Hagen-Poisseuille und effektive Fläche

12.01.2010FL.34


2 - 0049 - 0

Hydrostatische Lagertasche

Rall

12.01.2010FL.35


2 - 0050 - 0

Hydrostatisches Lager ohne Umgriff und seine elektrische Analogieschaltung

12.01.2010FL.36


2 - 0055 - 0

Hydrostatisches Lager mit einer und zwei Taschen bei exzentrischer Belastung

Rall

12.01.2010FL.37


12.01.2010FL.38


2 - 0056 - 5

p

Tisch

Bett

hT

hU

p

1

2

Prinzip einer hydrostatischen Lagerung im Umgriff

Rall

12.01.2010FL.39


12.01.2010FL.40


2 - 0054 - 0

Prinzip einer hydrostatischen Lagerung im Umgriff

Rall

12.01.2010FL.41


2 - 0051 - 0

Prinzip einer hydrostatischen Lagerung mit unterschiedlichen Ölversorgungssystemen

Rall

12.01.2010FL.42


2 - 0052 - 0

Ölspaltverformungen bei verschiedenen Ölversorgungssystemen ohne Umgriff

12.01.2010FL.43


2 - 0053 - 0Rall

Membrandrossel

12.01.2010FL.44


12.01.2010FL.45


Siebers

2 - 0057 - 0

Schematische Darstellung einer Mehrkreispumpe

12.01.2010FL.46


GroGroßße statische Steifigkeite statische Steifigkeit

GroGroßße dynamische Steifigkeite dynamische Steifigkeit

Kleine ReibungKleine Reibung

Fehlen von AnFehlen von An-- und Auslaufreibungund Auslaufreibung

Kein VerschleiKein Verschleißß

GroGroßße Bewegungsgenauigkeite Bewegungsgenauigkeit

Vor- und Nachteile hydrostatischer Lagerungen

Hoher AufwandHoher Aufwand

Hohe KostenHohe Kosten

Schlechte EnergieausnutzungSchlechte Energieausnutzung

Geringer WirkungsgradGeringer Wirkungsgrad

UmweltverschmutzungUmweltverschmutzung

Spezialkenntnisse notwendigSpezialkenntnisse notwendig

ÜÜberwachungsaufwandberwachungsaufwand

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12.01.2010FL.48


12.01.2010FL.49


12.01.2010FL.50


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12.01.2010FL.52


12.01.2010FL.53


12.01.2010FL.54


12.01.2010FL.55


12.01.2010FL.56


12.01.2010FL.57


12.01.2010FL.58


Zwischenplatten

Kunststofflamellen

Metallabstreifer

Distanzplatte

Enddichtungen Ölreservoir KugelketteSchmierölgeber

Ölmengenregulator

2- 3242 - 4TUHHPROF.DR.-ING. K.RALL

Kompaktführung mit Kugelkette (Profilschienenwälzführung)THK GmbH

Lager alt (ohne Kugelkette) Lager neu (mit Kugelkette)

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12.01.2010FL.60


12.01.2010FL.61


9 - 2759 - 9SKF

b = Spulenwicklungc = Aktorscheibed = Axtialsensore = Statorf = WelleZ , Z = Achsen

1

1 2

Axialmagnetlager

12.01.2010FL.62


abcdev ; v ; w ; w

= Stator = Rotor = Welle = Spulenwicklung = Radialsensor

= Achsen1 3 1 3

SKF 9 - 2760 - 9

Rotor eines aktiven Radialmagnetlagers

12.01.2010FL.63


Kosten

Anschaffung

Reperatur

Druckluft

Reibungsverluste

Energieverbrauch Magnetlager

Energieverbrauch Motor

Wuchten von Werkzeugen

Gesamtkosten

21.000 €

12.400 €

14.400 €

1.835 €

38.640 €

48.000 €

136.275 €

magnetgelagerte Spindel

63.000 €

322 €

1.400 €

38.640 €

103.362 €

wälzgelagerte Spindel

Kostenvergleich

Rall

12.01.2010FL.64


2 - 0633 - 0

Siemens

Merkmale

Lauf-genauigkeit

Betriebs-sicherheit

Bereit-stellkosten

Verlust-leistung

Dämpfung

Verschleiß-freiheit

Kühl-möglichkeit

Drehzahl-bereich

hydro-dynam.Lager

Wälz-lager

hydrostat.Lager

Bewertung der Eigenschaften

hoch niedrig

Eigenschaften unterschiedlicher Hauptspindellagerungen

12.01.2010FL.65


9 - 0058 - 9

FAG

Lagerbauart

Merkmale

Rad

ialb

elas

tbar

keit

Axi

albe

last

bark

eit

in b

eide

n R

icht

unge

n

Eig

nung

für

hohe

Dre

hzah

len

-ger

äusc

harm

er L

auf

-hoh

e S

teifi

gkei

t

-ger

inge

Rei

bung

Rillenkugellager

Schrägkugellager

Schrägkugellagerzweireihig

Spindellager

Pendelkugellager

ZylinderrollenlagerNU, N

Kegelrollenlager

Axial-Rillenkugellager

Eignung

-sehr gut

-gut

-normal/möglich

-mit Einschränkung

-nicht geeignet/entfällt

Einzellager und Lager in Tandem-Anordnung in eine Richtung

Gebräuchliche Wälzträger und deren Merkmale

12.01.2010FL.66


9 - 1312 - 8FAG

normales Spindellager Baureihe HS:Kugeldurchmesser auf 70% reduziertKugelmasse auf 1/3 reduziertZahl der Kugeln um 2/3 erhöhtAußen- und Innenring versteiftFett-Lebensdauerschmierung

30% höhere Maschinendrehzahl

Hochgeschwindigkeitsspindellager

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2 - 0059 - 4

Aufbau einer Spindellagerung mit Kegelrollenlagern

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12.01.2010FL.69


2 - 0060 - 6

Aufbau einer Spindellagerung mit Zylinderrollenlagern und Axial-Schrägkugellager

12.01.2010FL.70


2 - 0061 - 0

Aufbau einer Spindellagerung mit Schrägkugellagern und Zylinderlager

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12.01.2010FL.72


12.01.2010FL.73


2 - 2934.1 - 1

Hauptspindel

Lagerung

Antriebsleistung 22 kW

Drehzahl max 3000 min

Die Spindel wird radial in zweireihigen

Zylinderrollenlagern, in einem

FAG NN3020ASK.M.SP und einem

FAG NN3016ASK.M.SP, geführt.

Zur axialen Abstützung dient ein

Axial-Schrägkugellager FAG 234420M.SP.

Die Lager werden mit Fett geschmiert.

-1

Technische Daten einer Hauptspindel

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12.01.2010FL.75


2 - 3399 - 5

Basiskennzeichen

.

Zeichen für die Lagerreihe

Nachsetzzeichen

Zeichen für die Lagerbohrung

Vorsetzzeichen: für bestimmte Lagerbestandteile (Ringe, Käfige)

Nachsetzzeichen: für Besonderheiten der inneren Konstruktion, Maßtoleranzen, Laufgenauigkeiten,

Lagerspiel etc.

Einzelheiten sind den Katalogen der Wälzlagerhersteller zu entnehmen.

NU10 32 E

Vorsetzzeichen

Bezeichnung der Wälzlager

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12.01.2010FL.77


2 - 0636 - 2SKF

Vertikal-Schnellauf-Frässpindel

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12.01.2010FL.79


12.01.2010FL.80


2 - 0065 - 0

Vergleich der Lagerungsarten

12.01.2010FL.81


2 - 2602 - 6

Einflussfaktoren auf erreichbare Drehzahlen von Wälzlager in WZM- Spindeln

- Lagerbauart

- Schmierung

- Umbauteile

- Genauigkeit

- Anordnung

- Aufbau

- Lagergröße

Einflussfaktoren

12.01.2010FL.82


9 - 2768 - 9

alle 100 mm

Fettschmierung Ölschmierung

Kegelrollenlager

Zylinderrollenlager

Spindellager

Axial-Schrägkugel.

2000

4000

7500

2800

3000

4800

10000

3800

0.3 10

0.48 10

1 10

0,38 10

6

6

6

6

Bohrungs :

Typische Drehzahlen in min-1

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Lagergebrauchsdauerist größer

Höchste Drehzahlen,auch bei Fettschmierung

Notlaufeigenschaftensind sehr gut

Niedrige Betriebstemperatur

Beste Oberflächenqualitätund Genauigkeit der

bearbeiteten Werkstücke

Kostengünstige Schmierung

geringe Bruchzähigkeit,geringes plastisches

Deformationvermögen

hoher E-Modulhoher Preis

9 - 2603 - 7

Vorteile

Nachteile

Eigenschaften von Hybridlagern

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Führungen Lager - TUHH · 12.01.2010 FL.4 Dr.-Ing. habil. Jörg Wollnack Weck 2 - 0037 - 0 Bewegungsarten Führungen in Werkzeugmaschinen Verstellführungen geradlinig kreisförmig