Vorhersage der Lebensdauer von Rollengewindetrieben als Pressenantrieb (Servospindelpresse)
Verfasser:
Prof. Dr.-Ing. Bernd-Arno Behrens, Dipl.-Ing. Tobias Hasselbusch, Institut für Umformtechnik und Umformmaschinen, Leibniz Universität Hannover
128 Seiten - 76,00 EUR (sw, 118 teils farbige Abb., 16 Tab.)
ISBN 978-3-86776-577-0
Zusammenfassung
Die Nutzung von servomotorisch angetriebenen Rollengewindetrieben (RGT) als Antriebe für Servospindelpressen bieten gegenüber Pressen mit Exzenterantrieben technologische Vorteile. Zum Beispiel steht die Nennkraft bei Pressen mit RGT über dem gesamten Arbeitsweg zur Verfügung, und es können konstante Umformgeschwindigkeiten realisiert werden. Ein konstruktiv festgelegter unterer Totpunkt wie bei Pressenantrieben auf Basis von Hebelwerken muss nicht durchfahren werden.
In den letzten Jahren haben verschiedene Hersteller Pressen mit RGT als Pressenantrieb entwickelt und auf den Markt gebracht. Die verkauften Stückzahlen sind trotz der genannten Vorteile bisher gering. Ein Grund hierfür ist der Mangel an Erfahrungen in Bezug auf die Lebensdauer der Pressen und insbesondere der RGT unter Einwirkung der für Pressen typischen stoßartigen Belastungen.
Da Pressen kostenintensive Investitionsgüter sind, wird von Pressenbetreibern eine Lebensdauer von vielen Jahren gefordert. Ob Pressen mit RGT dieser Forderung genügen wird von Pressenbetreibern bisher mit Skepsis betrachtet.
Im Rahmen dieses Forschungsvorhabens wurde daher die Lebensdauer von RGT wissenschaftlich erforscht. Im Fokus standen die Betrachtung der für Pressen typischen stoßartigen Belastungen sowie Belastungen infolge von auftretenden Schwingungen am RGT. In diesem Zusammenhang wurde ein Prüfverfahren sowie ein entsprechender Prüfstand zur experimentellen Ermittlung der Lebensdauer von RGT entwickelt. Die Neuartigkeit dieses Lösungsansatzes ist die Erzeugung von besonders großen Kraftgradienten, so dass die für Pressen typischen Betriebslasten im Versuch abgebildet werden können. Zudem wurden grundlegende Kenntnisse über die Gestalt und den Betrag von Betriebslasten, welche im Betrieb am RGT in einer Servospindelpressen wirken, ermittelt.
Das Forschungsergebnis besteht in der Bereitstellung eines experimentellen Prüfverfahrens zur Ermittlung abgesicherter Kenntnisse über den Einfluss von stoßartigen Lasten auf die Lebensdauer von RGT bzw. auf mögliche charakteristische Schäden, um die Akzeptanz bezüglich Servospindelpressen seitens der Pressenbetreiber zu steigern.
Die Ziele des Projektes wurden erreicht.
Förderhinweis
Das IGF-Vorhaben „Vorhersage der Lebensdauer von Rollengewindetrieben als Pressenantrieb (Servospindelpresse)" der Forschungsvereinigung EFB e.V. wurde unter der Fördernummer AiF 18098N über die Arbeitsgemeinschaft industrieller Forschungsvereinigungen (AiF) im Rahmen des Programms zur Förderung der Industriellen Gemeinschaftsforschung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Der Abschlussbericht ist als EFB-Forschungsbericht Nr. 523 erschienen und bei der EFB-Geschäftsstelle und im Buchhandel erhältlich.
Summary
The use of servo motor-driven roller screw drives as drives for servo screw presses offers technological advantages compared to presses with eccentric drives. For example, the nominal force in presses with roller screw drives is available for the entire working path and constant forming speeds can be achieved. A structurally defined bottom dead center does not have to be passed through as with press drives based on lever mechanisms.
In recent years, various manufacturers have developed and launched presses with roller screw drives. Despite the advantages mentioned, sold quantities have been low so far. One reason for this is the lack of experience regarding the life of the presses, and in particular the roller screw drives, under the influence of typical impact loads.
Because presses are costly capital goods, users expect them to last many years. Whether presses with roller screw drives meet this requirement has so far been met with skepticism by press operators.
As part of this research project, the lifetime of roller screw drives has been researched scientifically. The focus was on the examination of the typical impact loads as well as loads due to vibrations occurring on the roller screw drives. In this regard a test method as well as a corresponding test bench for the experimental determination of the lifetime of roller screw drives has been developed. The novelty of this approach is the generation of particularly large force gradients, so that the typical operating loads for presses can be shown in the experiment. In addition, basic knowledge about the characteristic and amount of operating loads acting in operation on the roller screw drives in a servo screw press was determined.
The result of the research is the provision of an experimental test method for the determination of validated knowledge about the influence of impact loads on the lifetime of roller screw drives or possible characteristic damage, in order to increase the acceptance of servo screw presses by the press operators.
The goals of the project were achieved.
Inhaltsverzeichnis
Zusammenfassung
Abbildungsverzeichnis
1 Einleitung und Problemstellung
2 Stand der Technik
2.1 Umformmaschinen
2.2 Servospindelpressen
2.3 Rollengewindetriebe
2.4 Auslegung von Rollengewindetrieben
2.5 Scherschneiden
2.6 Hydraulische Vorrichtungen zur Kraftfreischaltung
2.7 Finite-Elemente Methode
3 Forschungsziel und Lösungsweg
3.1 Forschungsziel
3.2 Lösungsweg
4 Ermittlung der realen Belastungen am RGT in einer Presse
4.1 Versuchspresse
4.2 Messtechnik zur Erfassung der Stößelkinematik
4.3 Dynamische Belastung der Servospindelpresse
4.3.1 Versuchswerkzeug
4.3.2 Versuchsparameter
4.3.3 Prozesskräfte und dynamische Verlagerungen am Pressenstößel
4.3.4 Dynamische Verkippungen am Pressenstößel
4.4 Statische Belastung der Servospindelpresse
4.4.1 Belastungseinrichtung
4.4.2 Statische Verformung am Pressenstößel
4.5 Fazit
5 Simulative Analyse der Belastungen im RGT
5.1 Aufbau eines detaillierten Simulationsmodells des RGT
5.1.1 Erstellung und Vernetzung des geometrischen Modells
5.1.2 Definition der Randbedingungen
5.1.3 Definition der Lagerungen und Kontaktbedingungen
5.1.4 Simulationsergebnisse
5.2 Aufbau vereinfachter Simulationsmodelle des RGT
5.2.1 Lastverteilung am RGT aufgrund einer Kippbelastung
5.2.2 Belastung an einer einzelnen Gewindeflanke
5.3 Fazit
6 Auslegung eines Prüfstands
6.1 Rollengewindetrieb
6.2 Belastungseinrichtung
6.3 Antriebseinheit
6.4 Fazit
7 Prüfstand zur experimentellen Ermittlung der Lebensdauer von RGT
7.1 Aufbau und Funktionsprinzip des Prüfstands
7.2 Messtechnik zur Aufnahme der Prozessgrößen
7.2.1 Aufnahme der Prozesskraft
7.2.1 Aufnahme der Temperatur
7.2.2 Aufnahme der Kinematik der Schlittenplatte
7.3 Fertigung, Bau und Inbetriebnahme des Prüfstands
7.3.1 Inbetriebnahme des Freischaltzylinders
7.3.2 Inbetriebnahme der Antriebseinheit
7.4 Testbetrieb des Prüfstands
7.4.1 Wegverlauf der Schlittenplatte im Betrieb
7.4.2 Prozesskraft am RGT im Betrieb
7.4.3 Erzeugung einer Kippbelastung am RGT
7.4.4 Schäden am Synchronmotor
7.4.5 Lärmbelastung im Betrieb
7.5 Fazit
8 Versuchsdurchführung
8.1 1. Versuchsreihe
8.1.1 Kinematik der Schlittenplatte
8.1.2 Maximalkraft- und Temperaturverlauf
8.1.3 Verschleißzustand an der Spindel des RGT
8.1.4 Beschädigungen während des Prüfbetriebs
8.2 2. Versuchsreihe
8.2.1 Optimierung des Prüfstands
8.2.2 Maximalkraft- und Temperaturverlauf
8.2.3 Verschleißzustand an der Spindel des RGT
8.2.4 Beschädigungen während des Prüfbetriebs
8.3 Fazit
9 Wissenschaftlich-technischer und wirtschaftlicher Nutzen für KMU
10 Literaturverzeichnis
