Noch keinen Zugang? Dann testen Sie unser Angebot jetzt 3 Monate kostenfrei. Einfach anmelden und los geht‘s!
Angemeldet bleiben
Ausgewählte Ausgabe: 04-2017 Ansicht: Modernes Layout
| Artikelseite 1 von 5

Statische und dynamische Koppelstellenkräfte in Werkzeugmaschinen zur Auslegung von Beton-Gestellbauteilen

Static and Dynamic Forces within Coupling Elements of Machine Tools for the Design of Concrete Frame Components


Inhalt: Zur Verbesserung der dynamischen Eigenschaften und zur Reduzierung der Herstellungskosten von Werkzeugmaschinen gibt es die Bestrebung neue Werkstoffe, die sich durch hohe Dämpfung und einen guten dichtebezogenen E-Modul auszeichnen, im Werkzeugmaschinenbau einzusetzen. Zementbetone bieten hier hohe Potentiale, haben jedoch den Nachteil einer geringen Zugfestigkeit. Daher müssen die auftretenden Zugkräfte, insbesondere in den örtlichen Bereichen der Krafteinleitung (Schrauben-verbindungen) der einzelnen Gestellbauteile von Werkzeugmaschinen, bekannt sein. Dieser Artikel zeigt typische in Werkzeugmaschinen auftretende statische und dynamische Kräfte in den lokalen Bereichen der Kraftübertragung (Koppelstellen) der einzelnen Gestellbauteile von Werkzeugmaschinen auf. Mittels Pull-out-Versuchen wird weiterhin die Zugfestigkeit von Gewindeanker-Beton-Verbindungen analysiert.
Abstract: To improve the dynamic behavior of machine tools, new construction materials which exhibit good damping behavior together with competitive density-specific stiffness and low production cost are sought after. Cement concrete has promising properties, but lacks in tensile strength. Thus, knowledge about the local tensile forces within coupling elements that connect the individual structural components of machine tools is crucial. In this article, typical local static and dynamic loads occuring within the coupling points of individual structural components of machine tools are analyzed and presented. The ultimate tensile strength of cement concrete connections using different anchor bolts is also determined by pull-out tests.

1 Einleitung

Die Werkstoffe Stahl und Eisenguss weisen für die Produktion von Gestellbauteilen für Werkzeugmaschinen gute bis sehr gute Festigkeitswerte auf. Aufgrund des Rohstoffmangels zu Anfang des letzten Jahrhunderts wurde erstmalig versucht, Stahl durch (Stahl-) Beton zu substituieren [1]. Zu Beginn der 1970er Jahre wurden aufgrund erhöhter Materialanforderungen neuartige Substitutionswerkstoffe entwickelt, wobei sich Polymerbeton gegen Zementbeton im Werkzeugmaschinenbau durchsetzte. Aufgrund der geringen Kosten, der guten Dämpfungseigenschaften und der geringen Masse wird heute zunehmend der Einsatz von Zementbeton z. B. in Maschinenbetten aber auch Maschinenständern angestrebt. Es wurde bereits ultrahochfester Beton (UHPC) im Maschinenbau eingesetzt [2, 3]. Es fehlen jedoch wissenschaftliche Untersuchungen und belastbares Grundlagenwissen bezüglich des Einsatzes und der Einsatzgrenzen von Zementbeton im Werkzeugmaschinenbau, insbesondere hinsichtlich der lokalen Belastungen im Bereich der Koppelstellen.

2 Werkstoffeigenschaften

Traditionell kommen im Werkzeugmaschinenbau die Werkstoffe Stahl und Gusseisen zum Einsatz. Sie weisen sehr hohe Elastizitätsmodule (ESt = 210 kN/mm² und EGuss ≈ 70 – 185 kN/mm²) und Festigkeitswerte auf. Darüber hinaus sind sie mechanisch und thermisch formbar [4]. Da der dichtebezogene Elastizitätsmodul für Stahl, Gusseisen (mit Kugelgrafit) und Zementbeton in ähnlichen Größenordnungen liegt, ergibt sich hier kein Differenzierungsmerkmal für die Wahl des Werkstoffs [5].
Zementbeton besteht aus den drei Grundausgangsstoffen Wasser, Bindemittel und Gesteinskörnung, die auf fast allen Teilen der Erde zahlreich vorhanden sind. Zementbeton ist daher preiswert und vergleichsweise leicht herstellbar. Zudem weist Zement- beton eine hohe Druckfestigkeit (bis 60 N/mm² für Normalbeton) auf, ist beliebig formbar, sehr beständig und lässt sich in seinen Eigenschaften durch die Verwendung von Zusatzmitteln und -stoffen gezielt beeinflussen. Als Nacheil ist die geringe Zugfestigkeit zu nennen [6, 7].
Eine Weiterentwicklung des klas- sischen Zementbetons stellt der ultrahochfeste Beton (UHPC) dar. UHPC verfügt neben einem sehr dichten Gefüge, einhergehend mit einer sehr hohen Dauerfestigkeit, über einen hohen Elastizitätsmodul (bis zu 70 000 N/mm²) und eine sehr hohe Druckfestigkeit (150 – 250 N/mm²), die durch Wärmebehandlung weiter gesteigert werden kann. Um die Duktilität und gleichzeitig die Zugfestigkeit von UHPC zu steigern, werden hochfeste Mikrostahlfasern eingelassen. So kann die Zugfestigkeit auf ca. 15 N/mm² und die Biegezugfestigkeit auf ca. 60 N/mm² gesteigert werden [6]. Im Vergleich zu Stahl (350 – 1500 N/mm² Zugfestigkeit) ist die Zugfestigkeit von UHPC dennoch wesentlich geringer. Die Belastbarkeit des Betons wird durch die Streckgrenze limitiert. Da die Gestellbauteile einer Werkzeugmaschine i.d.R auf Steifigkeit und weniger auf Festigkeit dimensioniert werden, wird die Streckgrenze am ehesten an den örtlichen Bereichen der Krafteinleitung (Koppelstellen) der einzelnen Gestellbauteile erreicht [4]. Daher ist die Kenntnis über die Größe der lokalen Zugspannung an den Schraubenverbindungen von großer Bedeutung.
Aufgrund der zuvor beschrieben Materialeigenschaften von Beton müssen zur Auslegung von Gestellbauteilen aus Beton die in den Koppelstellen auftretenden statischen und dyna- mischen Kräfte bekannt sein. In den folgenden Abschnitten werden für den Einsatz von Beton relevante Koppelstellen einer Werkzeugmaschine dar-gestellt sowie die darin auftretenden statischen und dynamischen Kräfte messtechnisch analysiert, um die grundsätzliche Eignung von Zementbeton einschätzen zu können.

3 Koppelstellen einer Werkzeugmaschine

Im Folgenden sollen, am Beispiel einer prototypischen Linearachse, typische konstruktive Umsetzungen von Koppelstellen zwischen Stahlwerkstoffen mit Betonwerkstoffen verglichen werden (Bild 1). Die Koppelstellen müssen konstruktiv an die jeweiligen Werkstoff-paarungen angepasst werden.

Bild 1 Prototypische Linearachse einer Werkzeugmaschine

Bild 1
Prototypische Linearachse einer Werkzeugmaschine


Das hinten im Bild 1 dargestellte Führungssystem zeigt eine klassische Gusskonstruktion. Hier werden die Schuhe häufig von oben verschraubt und die Führungsschienen werden mit Schrauben direkt in das Maschinenbett eingeschraubt. Das vorne in Bild 1 dargestellte Führungssystem (mit den Gewindeankern) zeigt dagegen eine mögliche Konstruktion mit Beton als Substitutionswerkstoff. Da die Schrauben nicht direkt in den Beton geschraubt werden können, besteht die Möglichkeit, Gewindeanker in den Beton einzugießen. Je nach Belastung werden verschiedene Gewindeanker eingesetzt (s. Abschnitt 3.2). Außerdem müssen lokale Wandstärken höher ausfallen, um die geringe Biege- und Zugfestigkeit von Zementbeton auszugleichen.

Seite des Artikels
Autoren

Prof. Dr.-Ing.  Christian Brecher

Jahrgang 1969, ist Inhaber des Lehrstuhls für Werkzeugmaschinen am  Werkzeugmaschinenlabor (WZL) der RWTH Aachen sowie Direktor und Leiter der Abteilung Produktionsmaschinen am Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT.

Werkzeugmaschinenlabor RWTH-Aachen WZL
Steinbachstraße 19
52074 Aachen
www.wzl.rwth-aachen.de

Dipl.-Ing. David Jasper

Wissensch. Mitarbeiter am Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen
Steinbachstraße 19
52074 Aachen
Tel.: 02 41/80 27 408
E-Mail: d.jasper@wzl.rwth-aachen.de
www.wzl.rwth-aachen.de

Dipl.-Ing. Simo Schmidt

Wissensch. Mitarbeiter am Werkzeugmaschinenlabor WZL der RWTH Aachen

Dr..-Ing. Marcel Fey

Jahrgang 1982, studierte Maschinenbau an der RWTH Aachen und war im Anschluss wissenschaftlicher Mitarbeiter am WZL. Seit 2014 leitet er als Oberingenieur die Abteilung Maschinentechnik am WZL, wo er 2016 promovierte.

Dipl.-Ing. Christian Neunzig

Wissenschaftlicher Mitarbeiter am Institut für Bauforschung (ibac)
Schinkelstr. 3, 52062 Aachen
Tel.: 02 41/8 09 51 90
E-Mail: neunzig@ibac.rwth-aachen.de
www.rwth-aachen.de

Verwandte Artikel

Sichere Automatisierungskonzepte für Werkzeugmaschinen

Effizienter dank optimierter Hydraulik

Vielseitige Antriebe für die Automation

Laserscanner machen Schwenkbiegemaschine rundum sicher

Position und Bahnabweichung optimieren