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Energieketten: Wie sich Vibrationen reduzieren lassen

Angesichts stetig steigender Anforderungen an die Prozessgenauigkeit von Werkzeugmaschinen sind ­Schwingungen im System auf ein Minimum zu reduzieren. Ein wirksamer Ansatzpunkt hierbei ist die Verbesserung der Laufruhe von Energieführungen in ­dynamischen Anwendungen.

Wider der Vibration Bildquelle: © Igus

Dynamische Belastungen regen grundsätzlich zu Schwingungsformen an, die eine Verlagerung von Werkzeug und Werkstück während der Bearbeitung verursachen können. Die Zerspanleistung wird dadurch eingeschränkt. Verschlechtern sich die Schnittbedingungen spanender Werkzeugmaschinen zunehmend, kann dies bis zur Prozessinstabilität führen. Mit anderen Worten: Es treten sogenannte Ratterschwingungen auf, die zu Qualitätsverlusten beim Bearbeitungsergebnis sowie zu erhöhtem Verschleiß von Maschinenkomponenten führen. Da immer schwerer zerspanbare Werkstoffe zum Einsatz kommen und gleichzeitig stetig höhere Zerspanleistungen bei gleicher Maschinengröße vom Markt gefordert werden, ist der Einsatz von vibrationsärmeren Maschinenkomponenten dringender denn je.

Eine mögliche Quelle von störungshaften Vibrationen sind die ‚Nabelschnüre‘ der modernen Werkzeugmaschine – sprich die Energieketten. Denn je mehr Automatisierung zum Einsatz kommt, desto umfangreicher wird auch der Einsatz von Leitungen und Schläuchen, die mittels Energieketten zu führen sind. Und bei den notwendigen Verfahrbewegungen treten zwangsläufig Vibrationen an der Auflagenrinne und dem Mitnehmer auf.

Die meisten der gegenwärtig verwendeten Energieketten sind mit einer Bolzen-Bohrung-Verbindung ausgestattet. Diese feste Verbindung bietet einen robusten Schutz gegen äußere Einwirkungen, hält einer hohen Biegebeanspruchung stand und weist eine hohe Zugfestigkeit und mechanische Belastbarkeit auf. Nachteile sind aber die entstehenden Relativbewegungen zwischen den Gelenken und dadurch eine gewisse Verschleißanfälligkeit der beweglichen Teile. Beim Abrollen der Energieführung tritt zudem der sogenannte Polygoneffekt auf. Das heißt: Die Kette läuft im Biegesegment nicht vollständig rund ab. Als Resultat davon kommt es zu Abwinkelungen der Kettenglieder und aus einem für die Bewegung optimalen Kreis wird ein Vieleck (Polygon).

Querschnitt und Frontalansicht einer Energiekette Bildquelle: © Igus

Querschnitt und Frontalansicht einer Energiekette mit dem 'neuralgischen' Vibrationsstellen Mitnehmer und Auflagenrinne.

Neben einem höheren Abrieb ist ein höheres Maß an Erschütterungen in Längs- und Querrichtung die Folge. Die daraus resultierenden Schwingungen können im ‚Worst Case‘ aufgrund übermäßiger Schwingungsamplituden in der  sogenannten Resonanzkatastrophe enden und damit letztlich zum Materialbruch führen. Aber auch in weniger extremen Fällen kann es aufgrund der Vibrationen durch den Polygoneffekt bereits zu Materialverschleiß und einem schlechteren Produktionsergebnis am Werkstück kommen.

Ein Sonderproblem liegt bei leitfähigen Energieführungen vor, da der Bolzen-Bohrung-Aufbau zu Luftspalten führt. Diese Spalten beeinträchtigen den konstanten Leitwert einer Kette, so dass selbst bei einem Werkstoff mit durchgehender Leitfähigkeit die Dauerableitfähigkeit nicht gewährleistet ist. Die Verwendung im Ex-Schutz-Umfeld und in Produktbereichen, die auf eine ESD-Störsicherheit angewiesen sind, gestaltet sich dadurch problematisch. Kurzum: Insgesamt betrachtet hat sich das Bolzen-Bohrung-System in der Vergangenheit zwar als sichere Ver­bindungsform bewährt, stößt aber aufgrund der geometrischen und ­kinematischen Eigenschaften in puncto Abrieb, Vibrations- und Ableitverhalten an seine Grenzen.