Werkzeugmaschinen Fertigungssysteme: 2 Konstruktion und Berechnung
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| adam_text | Inhaltsverzeichnis
1 Einführung 1
2 Gestelle und Gestellbauteile 7
2.1 Anforderungen und Bauformen 7
2.2 Werkstoffe für Gestellbauteile 12
2.3 Auslegungs und Gestaltungskriterien bei statischer Belastung .... 14
2.3.1 Statische Belastungen 14
2.3.2 Statische Kenngrößen 15
2.3.3 Kraftfluss und Verformungsanalyse 17
2.3.4 Konstruktive Gesichtspunkte bei der Gestaltung 18
2.3.4.1 Steifigkeiten stabförmiger Bauteile 19
2.3.4.2 Verrippungen 26
2.3.4.3 Krafteinleitung 31
2.3.4.4 Fügeverbindungen 39
2.3.5 Konstruktionsbeispiele 46
2.4 Auslegungs und Gestaltungskriterien bei dynamischer Belastung .. 49
2.4.1 Dynamische Belastungen 49
2.4.2 Dynamische Kenngrößen 50
2.4.3 Konstruktive Gesichtspunkte bei der Gestaltung 52
2.4.3.1 Massen und Massenverteilung 54
2.4.3.2 Gezielte Schwächung 56
2.4.3.3 Dämpfung in Gestellen 58
2.4.3.4 Übersicht über dynamische Zusatzsysteme 61
2.4.3.5 Hilfsmassendämpfer 62
2.4.3.6 Reibungsdämpfer 64
2.4.3.7 Aktive Dämpfungssysteme 66
2.4.3.8 Squeeze Film Dämpfer 68
2.5 Auslegungs und Gestaltungskriterien bei thermischer Belastung .. 72
2.5.1 Thermische Belastungen 72
2.5.2 Thermische Kenngrößen 74
XII Inhaltsverzeichnis
2.5.3 Konstruktive Gesichtspunkte bei der Gestaltung 76
2.6 Werkstoffgerechte Konstruktion 83
2.6.1 Reaktionsharzbeton 83
2.6.1.1 Der Werkstoff Reaktionsharzbeton 83
2.6.1.2 Verbindungstechniken Beton/Stahl 90
2.6.1.3 Formenbau 95
2.6.1.4 Werkzeugmaschinengestelle aus
Reaktionsharzbeton 98
2.6.2 Faserverbundwerkstoffe 101
2.6.2.1 Werkstoffeigenschaften 102
2.6.2.2 Einsatzkriterien und möglichkeiten für
hochbelastete Maschinenelemente aus
faserverstärkten Kunststoffen 105
2.6.2.3 Konstruktion und Fertigung von FVK Bauteilen,
Anwendungsbeispiele 105
2.7 Berechnung und Optimierung von Gestellbauteilen 113
2.7.1 Berechnung von Gestellbauteilen 113
2.7.1.1 Einführung in die Finite Elemente Methode 115
2.7.1.2 Herleitung einer Elementsteifigkeitsmatrix 119
2.7.1.3 Überlagerung der Elementsteifigkeitsmatrizen
zur Gesamtsteifigkeitsmatrix 122
2.7.1.4 Überblick über die Berechnungsmöglichkeiten
nach der Finite Elemente Methode 123
2.7.1.5 Aufbereitung der Bauteilgeometrie für die
Berechnung 124
2.7.1.6 Berechnungsbeispiele 126
2.7.1.6.1 Berechnung des statischen Verhaltens
von Gestellbauteilen 126
2.7.1.6.2 Berechnung des dynamischen
Verhaltens von Gestellbauteilen 128
2.7.1.6.3 Berechnung des thermischen
Verhaltens von Gestellbauteilen 135
2.7.1.7 Rechengenauigkeit und Fehlermöglichkeiten 140
2.7.2 Gekoppelte Simulation von Strukturdynamik und
Regelkreisen mit Hilfe der flexiblen Mehrkörpersimulation . 142
2.7.3 Optimierung des mechanischen Bauteilverhaltens 148
2.7.3.1 Grundlagen der Optimierung 148
2.7.3.2 Parameteroptimierung bei der Konstruktion von
Werkzeugmaschinen 151
2.7.3.3 Optimierung von Wandstärken und Faserwinkeln .153
2.7.3.3.1 Massen Steifigkeitsoptimierung von
Bauteilen 153
2.7.3.3.2 Optimierung von Bauteilen aus
Faserverbundwerkstoffen 157
Inhaltsverzeichnis XIII
2.7.3.4 Topologieoptimierung 160
2.7.3.5 Formoptimierung zur Reduzierung der
Kerbspannungen oder des Gewichtes 165
2.7.3.5.1 Minimierung der Kerbspannung an
offenen Ausrundungen 165
2.7.3.5.2 Allgemeiner Ansatz zur
Formoptimierung mechanischer
Bauteile 167
3 Aufstellung und Fundamentierung von Werkzeugmaschinen 171
3.1 Komponenten der Maschinenaufstellung 173
3.1.1 Aufstellelemente 173
3.1.2 Fundament 175
3.1.3 Baugrund 176
3.2 Fundamentauslegung unter statischen Gesichtspunkten 177
3.3 Fundamentauslegung unter dynamischen Gesichtspunkten 182
3.3.1 Beurteilungskriterien für Erschütterungen 186
3.3.1.1 Einwirkung mechanischer Schwingungen auf
den Menschen Ganzkörperschwingungen 186
3.3.1.2 Erschütterung durch die Maschine
(Einwirkungen auf Menschen in Gebäuden) 187
3.3.2 Auslegung aktiver Schwingungsisolierungen 189
3.3.3 Auslegung passiver Schwingungsisolierungen 193
4 Geräuscharme Maschinenkonstruktion 197
4.1 Grundlagen 198
4.2 Beispiele für Geräuschminderung 203
4.2.1 Aktive, primäre Maßnahmen 205
4.2.2 Aktive, sekundäre Maßnahmen 209
4.2.3 Passive, primäre Maßnahmen 211
4.2.4 Bearbeitungsgeräusche 212
5 Führungen und Lagerungen 217
5.1 Hydrodynamische Gleitführungen und Gleitlager 221
5.1.1 Grundlagen der Reibung und Schmierung 222
5.1.1.1 Begriff der Viskosität 222
5.1.1.2 Hydrodynamische Druckbildung 225
5.1.1.3 Reibungsarten 232
5.1.1.4 Stribeck Kurve 234
5.1.1.5 Stick Slip Effekt 236
5.1.2 Hydrodynamische Gleitführungen 238
5.1.2.1 Werkstoffe für Gleitführungen 238
5.1.2.2 Tribologische Eigenschaften 243
5.1.2.3 Führungselemente und Konstruktionsmerkmale ... 249
5.1.2.4 Klemmeinrichtungen 256
XIV Inhaltsverzeichnis
5.1.2.5 Kompensierung von Führungsfehlern 260
5.1.2.6 Statisches und dynamisches Verhalten 261
5.1.3 Hydrodynamische Gleitlager 262
5.1.3.1 Druckaufbau und Anlaufvorgang 263
5.1.3.2 Bauformen 266
5.1.3.3 Hydrodynamische Spindel Lager Systeme in
Werkzeugmaschinen 269
5.1.3.4 Berechnung von Mehrflächenlagern 271
5.2 Hydrostatische Gleitführungen und Gleitlager 277
5.2.1 Grundlagen, Funktionsprinzip und Begriffe 278
5.2.1.1 Ölversorgungssysteme 282
5.2.1.2 Lagerberechnung 290
5.2.1.2.1 Ölversorgungssystem „eine Pumpe
pro Tasche (Q = konst.) ohne Umgriff 290
5.2.1.2.2 Ölversorgungssystem „Pumpe mit
Vordrosseln (Kapillaren) (pp = konst.) 292
5.2.1.2.3 Ölversorgungssystem „eine Pumpe
pro Tasche (Q = konst.) mit Umgriff . 296
5.2.1.2.4 Ölversorgungssystem Pumpe
mit Vordrosseln (Kapillaren)
(pP = konst.) mit Umgriff 298
5.2.1.2.5 Berechnungsbeispiel 300
5.2.1.3 Dämpfung an einer hydrostatischen Tasche 304
5.2.1.4 Energiebedarf und hydraulischer Kreis 304
5.2.2 Hydrostatische Gleitführungen 309
5.2.2.1 Konstruktionsmerkmale und Ausführungsformen .309
5.2.2.2 Anwendungsbeispiele 312
5.2.2.3 Kompensation von Führungsfehlern 316
5.2.3 Hydrostatische Gleitlager 318
5.2.3.1 Bauformen 318
5.2.3.2 Druckaufbau 319
5.2.3.3 Lager mit strukturierten Oberflächen 321
5.2.3.4 Lagerauslegung 323
5.2.3.5 Abdichtung 329
5.2.4 Hydrostatische Spindel Lager Systeme 330
5.2.5 Hydrostatische Spindel Mutter Systeme 332
5.3 Aerostatische Gleitführungen und Gleitlager 335
5.3.1 Grundlagen und Führungsprinzip 336
5.3.2 Auslegung aerostatischer Lagerungen 338
5.3.3 Berechnung aerostatischer Lagerelemente 340
5.3.4 Dynamische Stabilität aerostatischer Gleitführungen und
Gleitlager 344
5.3.5 Anwendungsbeispiele 346
5.3.5.1 Aerostatisch gelagertes Schlittensystem 347
Inhaltsverzeichnis XV
5.3.5.2 Aerostatisch gelagerte Rundtische 348
5.3.5.3 Aerostatisch gelagerte Spindel Lager Systeme.... 350
5.4 Rundlaufverhalten unterschiedlicher Spindelsysteme 352
5.5 Elektromagnetische Lager 355
5.5.1 Konstruktionsprinzip 355
5.5.2 Ausfuhrungsformen elektromagnetischer Lagerungen 356
5.5.3 Eigenschaften elektromagnetischer Lagerungen 357
5.6 Wälzführungen und Wälzlager 358
5.6.1 Wälzfiihrungen 358
5.6.1.1 Bauarten und Eigenschaften 358
5.6.1.2 Einsatz in Werkzeugmaschinen 368
5.6.2 Wälzlager 368
5.6.2.1 Übersicht der Lagerbauarten 369
5.6.2.2 Lager für Spindellagerungen und Toleranzen für
ihre Umbauteile 369
5.6.2.3 Lagerspiel 373
5.6.2.4 Federung und Vorspannung bei Radiallagern 374
5.6.2.5 Federung und Vorspannung bei Axiallagern und
Axial Radiallagern 379
5.6.2.6 Gegenüberstellung von radialen bzw. axialen
Federkennlinien verschiedener Lagerarten 383
5.6.2.7 Käfigschlupf bei Radiallagern 384
5.6.2.8 Wälzlager unter dem Einfluss hoher
Winkelbeschleunigungen 384
5.6.2.9 Wälzlager als Schwingungserreger 386
5.6.2.10 Schmierung und Temperaturverhalten 387
5.6.2.11 Veränderung der Kinematik eines Spindellagers
in Abhängigkeit von Belastung und Drehzahl 393
5.6.2.12 Berechnung der Wälzlagerlebensdauer 401
5.6.2.13 Eigenschaften von Wälzlagern im Vergleich zu
denen anderer Lager 406
5.6.3 Wälzgelagerte Spindel Lager Systeme im
Werkzeugmaschinenbau 408
5.6.3.1 Anforderungsprofil, Konstruktionsprinzipien und
Auslegungskriterien 408
5.6.3.1.1 Lageranordnung 408
5.6.3.1.2 Vorspannung des Lagersystems 414
5.6.3.1.3 Spindellager für hohe Drehzahlen 416
5.6.3.1.4 Modifizierte Zylinderrollenlager für
hohe Drehzahlen 422
5.6.3.1.5 Gestaltung der Loslagerung 426
5.6.3.1.6 Statisches Systemverhalten 428
5.6.3.1.7 Dynamisches Systemverhalten 432
5.6.3.2 Berechnung von Spindel Lager Systemen 439
XVI Inhaltsverzeichnis
5.6.3.3 Konstruktive Maßnahmen zur Verbesserung des
dynamischen Verhaltens 447
5.6.3.4 Abdichtung der Lagersysteme 452
5.6.3.4.1 Berührende Dichtsysteme 454
5.6.3.4.2 Berührungsfreie Dichtsysteme 455
5.6.3.5 Schmierversorgungsanlagen 465
5.6.3.6 Drehdurchführungen 472
5.6.4 Kugelrollspindelsysteme 476
5.7 Abdichtung, Schmierung und Abdeckung von Führungselementen . 480
5.7.1 Dichtungstechnik und Schmierung von
Profilschienenführungen 480
5.7.2 Verschleiß von Profilschienenwälzführungen beim Einsatz
in Werkzeugmaschinen 485
5.7.3 Abdeckung von Führungsbahnen 487
6 Hauptantriebe 493
6.1 Motoren 493
6.1.1 Elektromotoren 494
6.1.1.1 Gleichstrommotoren 494
6.1.1.1.1 Aufbau und Wirkungsweise 495
6.1.1.1.2 Grund und Betriebsgleichungen 496
6.1.1.1.3 Drehzahlverstellung und
Belastungsgrenzen 497
6.1.1.1.4 Stromrichter zur
Gleichstromgewinnung und
Drehzahlregelung 502
6.1.1.2 Synchronmotoren 503
6.1.1.3 Asynchronmotoren 506
6.1.1.3.1 Aufbau und Wirkungsweise 506
6.1.1.3.2 Kurzschlussläufermotor 510
6.1.1.3.3 Drehzahlverstellung des
Asynchronmotors 511
6.1.1.3.4 Feldorientierte Regelung 512
6.1.1.4 Direktantriebe 514
6.1.1.4.1 Motorspindeln 514
6.1.1.4.2 Linearmotoren 515
6.1.2 Auslegung und Berechnung elektrischer Antriebe 518
6.1.2.1 Hochlaufverhalten 518
6.1.2.1.1 Hochlauf ohne Strombegrenzung 518
6.1.2.1.2 Hochlauf mit Strombegrenzung 520
6.1.2.1.3 Numerische Ermittlung des
Hochlaufs bei nichtlinearen und
unstetigen Kennlinien 523
Inhaltsverzeichnis XVII
6.1.2.2 Auswahl der Motoren nach statischen
Gesichtspunkten 523
6.1.2.3 Auswahl nach dynamischen Gesichtspunkten 527
6.1.2.4 Besondere Anforderungen beim C Achs Betrieb .. 527
6.1.3 Hydraulikmotoren 527
6.1.3.1 Rotatorische Motoren 531
6.1.3.1.1 Zahnradmotor 531
6.1.3.1.2 Flügelzellenmotor 533
6.1.3.1.3 Kolbenverdrängereinheiten 535
6.1.3.1.4 Lineare Hydraulische Antriebe 538
6.1.3.2 Drehzahlverstellung von Hydraulikmotoren 542
6.1.3.3 Erzeugung der hydraulischen Energie 548
6.2 Getriebe 549
6.2.1 Allgemeine Anforderungen 549
6.2.2 Gleichförmig übersetzende Getriebe 551
6.2.2.1 Getriebe mit stufenweise verstellbaren
Abtriebsdrehzahlen 551
6.2.2.1.1 Prinzipielle Bauformen von
Schaltgetrieben 552
6.2.2.1.2 Grundlagen zur Berechnung von
Stufengetrieben 555
6.2.2.2 Getriebe mit stufenlos verstellbaren
Abtriebsdrehzahlen 560
6.2.2.2.1 Elektrische Getriebe 560
6.2.2.2.2 Hydraulische Getriebe 561
6.2.2.2.3 Mechanische Getriebe 562
6.2.2.3 Kombination von gestuften Getrieben mit
stufenlosen Antriebsmotoren 565
6.2.2.4 Anwendungsbeispiele für gleichförmig
übersetzende Getriebe 566
6.2.3 Ungleichförmig übersetzende Getriebe 569
6.2.3.1 Schwingende Kurbelschleife 569
6.2.3.2 Schubkurbel 570
6.2.3.3 Kniehebel 571
6.2.3.4 Kurvenscheiben 573
6.2.3.5 Unrunde Zahnräder 574
7 Industriedesign als Aufgabe im Entwicklungsprozess 577
7.1 Maschinenverkleidung 578
7.1.1 Corporate Design 579
7.1.2 Gestaltungsrichtlinien 580
7.1.3 Farbgebung 582
7.2 Ergonomie 582
7.3 Entwicklungsabfolge des Designprozesses 586
XVIII Inhaltsverzeichnis
8 Zusatzeinrichtungen 589
8.1 Zentralschmieranlagen 589
8.1.1 Einleitungsanlagen 590
8.1.2 Progressivanlagen 591
8.1.3 Zweileitungsanlagen 592
8.1.4 Mehrleitungsanlagen 593
8.1.5 Drosselanlagen 593
8.1.6 Druckluftbeölungsanlagen 594
8.2 Temperiergeräte 597
8.3 Systeme zur Minimalmengenkühlschmierung 597
8.3.1 Äußere Zufuhr 599
8.3.2 Innere Zuführ 601
8.4 Handhabung von Spänen 602
8.4.1 Fördern 602
8.4.2 Zentrifugieren 605
8.4.3 Brikettieren 608
8.5 Kühlschmierstoff Reinigungsanlagen 610
8.5.1 Sedimentieren 610
8.5.2 Filtrieren 611
8.5.3 Magnetabscheiden 615
8.6 Brandschutz beim Einsatz nicht wassermischbarer Kühlschmierstoffeö 15
9 Elektrokonstruktion an Werkzeugmaschinen 621
9.1 Einführung 621
9.1.1 Übersicht 621
9.1.2 Aufgaben der Elektrokonstruktion an Werkzeugmaschinen . 622
9.1.2.1 Energiebereitstellung 623
9.1.2.2 Realisierung von Steuerungsfünktionen 624
9.1.2.3 Schutzfunktionen für Personal und Anlage 624
9.2 Zusammenwirken zwischen elektrischer und mechanischer
Konstruktion 629
9.2.1 Schnittstelle zwischen elektrischer und mechanischer
Konstruktion 629
9.2.2 Verständigungshilfsmittel zur Funktionsfestlegung in einer
Werkzeugmaschine 630
9.3 Komponenten und Verfahren der Elektrokonstruktion 632
9.3.1 Normen und Vorschriften zur Elektrokonstruktion an
Werkzeugmaschinen 632
9.3.2 Kriterien zur Auswahl von Komponenten 634
9.3.3 Schaltungsunterlagen 635
9.3.4 Verfahren der Elektrokonstruktion 643
9.3.4.1 Projektierung, Erstellung von Schaltungsunterlagen643
9.3.4.2 CAD Systeme für die Elektrokonstruktion 645
Inhaltsverzeichnis XIX
9.4 Funktionsgerechte Integration von elektrischen Komponenten in
Werkzeugmaschinen 647
9.4.1 Energieversorgung 647
9.4.2 Elektrische Komponenten in Werkzeugmaschinen 648
9.4.3 Bedienerschnittstelle 654
9.4.4 Sicherheitseinrichtungen 658
9.4.5 Schaltschrankbau 662
9.4.5.1 Konstruktion und Aufbau 662
9.4.5.2 Komponenten und ihre Platzierung 663
9.4.5.3 Schaltschrankklimatisierung 668
Anhang 671
Literatur 681
Index 693
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