Mit Simulation zur optimalen Spannlösung

Um das Verhalten von Bauteilen zu prüfen, wird ein Netz über das Werkstück gelegt. Zuvor wurde definiert, dass das Werkstück in einem 6-Backenfutter gespannt wird

Die roten Bereiche dieser Antriebslaterne der Allweiler AG sind beim Spannvorgang besonders belastet. In einer weiteren Simulation können nun die Spannlösung oder die Bearbeitungsparameter variiert werden

Wie verformt sich ein Bauteil beim Spannvorgang und bei der Bearbeitung? Welche Spannlösung gewährleistet, dass Werkstücke maßhaltig sind? Wie können vorhandene Spannmittel optimal genutzt werden? Auf diese und ähnliche Fragen liefert die virtuelle Simulation wertvolle Antworten. Mit Hilfe der Finite-Elemente-Methode (FEM) lassen sich unter anderem Verformungen und Belastungen von Bauteilen berechnen. So kann man einzelne Spannoptionen vergleichen und optimieren.

Hatten Konstrukteure in der Vergangenheit meist mit gehörigen Sicherheitszuschlägen gearbeitet, reicht heutzutage Sicherheit allein als Maßstab für eine gute Konstruktion bei weitem nicht mehr aus. Um im globalen Wettbewerb zu bestehen, sind Entwickler und Konstrukteure heute viel umfassender gefordert: Sie müssen sowohl Projektierungs- als auch Fertigungszeit einsparen, Massen und damit den Energieverbrauch reduzieren, die Präzision, Robustheit und Langlebigkeit von Teilen und ganzen Systemen erhöhen, künftigen Wartungsaufwand minimieren und vieles mehr. Simulationen liefern dabei wertvolle Ergebnisse: Bereits in der Entwurfsphase, also noch bevor die ersten Prototypen gebaut werden, lässt sich am Computer simulieren, wie sich Bauteile bei der Bearbeitung verhalten, ob die Maßhaltigkeit nach der Bearbeitung gewährleistet ist und ob es aufgrund hoher Spannkräfte zu Gefügeänderungen im Werkstück kommt, die das Material schwächen.

Die präzise Bearbeitung großer, dünnwandiger oder besonders komplexer Teile ist oftmals eine Herausforderung. Auf der einen Seite dürfen die Spannkräfte gewisse Grenzen nicht überschreiten, damit sie die Werkstücke nicht deformieren oder gar zerstören. Auf der anderen Seite muss die Spannung so sicher sein, dass die Schnittkräfte sicher aufgenommen werden.

Anhand der FEM-Methode lässt sich erkennen, wie sich das Werkstück beim Spannvorgang und bei der Bearbeitung verhält. Auf Basis der Simulation kann eine optimale Kombination aus Spannmittel, Art der Backengestaltung, Spannhöhe, Spannkraft und Drehzahl entwickelt werden. Sie liefert Erkenntnisse zur Bruchmechanik, Steifigkeit, Lebensdauer und zum Schwingungsverhalten der Teile. Vor allem bei komplexen Geometrien und hohen Präzisionsanforderungen, wie etwa bei Lagern, Zahnrädern, Turbogehäusen, Zylinderköpfen oder Bremsringen, bietet die frühzeitige Simulation enorme Vorteile.

Ablauf der Simulation

Um zu simulieren, wie sich ein Werkstück im Spannmittel und während der Bearbeitung verhält, sind nur wenige Daten nötig:

· 3D-Volumenmodell des Werkstücks, beispielsweise CAD-Daten als STEP-Datei;

· Angaben zum Werkstoff;

· Zerspanungsparameter und maximale Bearbeitungsdrehzahl;

· Aufspannskizze mit Spann- und Anlagepunkten;

· Vorgaben bezüglich der Haltekräfte/Backenspannkräfte;

· Geometrie der Spannbacken, z. B. glatt, Krallenbacken, Pflasterstein;

· Maschinendaten, insbesondere Angaben zum Spannzylinder und zur Spindelanordnung.

Aus diesen Angaben wird zunächst im CAD-Programm das 3D-Modell der Spann-aufgabe modelliert. Anschließend werden im FEM-Programm das Material und die Kontaktflächen der Aufspannung definiert und ein erstes Netz aus einzelnen Elementen mit Anfangs- und Endknoten über die Lösung gelegt. In aufeinander folgenden Lastschritten werden dann die jeweiligen Randbedingungen definiert.

Lastschritte visualisiert

Nach einer ersten Grobberechnung kann das Netz an besonders kritischen Stellen verfeinert und damit die Aussagequalität der Simulation verbessert werden. Eine 3D-Ansicht bzw. -Animation verdeutlicht für jeden einzelnen Lastschritt, welche radialen oder axialen Verformungen auftreten. Dabei sind insbesondere plastische Verformungen oberhalb der sogenannten Streckgrenze relevant, die sich nach der Bearbeitung nicht wieder zurückbilden. Zudem kann anhand der Simulation geprüft werden, ob sich mit einer Spannlösung beispielsweise eine definierte Rundheit erzielen lässt.

Mit Hilfe der FEM-Methode lassen sich die Auswirkungen unterschiedlicher Auf-spannungen, Bearbeitungsparameter, ja sogar unterschiedlicher Krafteinleitungs-punkte am Werkstück simulieren. Auch Spannlösungen, bei denen beispielweise Nullpunktspannbolzen direkt im Werkstück verschraubt sind, können simuliert werden. Hier liefert die FEM-Methode Aussagen zur Stabilität des Bolzens und der Schraube sowie zu bleibenden Deformationen des Werkstücks.

Ein Beispiel verdeutlicht, was mit Hilfe der FEM-Methode möglich ist: Die Allweiler AG ist europaweit Markt- und Technologieführer für Pumpen im Schiffbau, in der Energieerzeugung und in speziellen Industrieanwendungen. Mit Hilfe der Simulation lässt das Unternehmen die Aufspannung von Antriebslaterne aus Gusseisen GG25 untersuchen: Es prüft, ob die Bauteile aus dem Antriebsstrang der Pumpen, die bisher in drei Operationen gefertigt werden, auch in zwei Operationen bearbeitet werden können. Dabei soll unter anderem eine Radialspannung in einem standardisierten 6-Backen-Pendelausgleichsfutter untersucht werden.

Eine erste Simulation zeigt, dass der Rundheitsfehler an der Passung Ø 218 f7 (Toleranz 0,048 mm) nach dem Spannen, Hochdrehen und Bearbeiten 0,054 mm beträgt, also außerhalb des tolerierten Bereichs liegt. Werden in einer zweiten Simulation die Drehzahl erhöht und die Schnittdaten angepasst, gelingt die Operation. Über eine reine Variation der Bearbeitungsparameter kann Allweiler die Antriebslaterne also auf einem vorhandenen Standardspannmittel bearbeiten – eine enorme Kosteneinsparung, die ohne eine detaillierte FEM-Analyse kaum oder nur sehr umständlich erreichbar gewesen wäre.

Schunk GmbH & Co. Spanntechnik KG www.schunk.com AMB Halle 1 Stand G 12