Simulation Method for Determining the Thermally Induced Displacement of Machine Tools – Experimental Validation and Utilization in the Design Process

A novel simulation method to determine the
displacements of machine tools due to thermal factors is presented.
The specific characteristic of this method is the employment of
original CAD data from the design process chain, which is
interpreted by an algorithm in terms of geometry-based allocation of
convection and radiation parameters. Furthermore analogous models
relating to the thermal behaviour of machine elements are
automatically implemented, which were gained by extensive
experimental testing with thermography imaging. With this a
transient simulation of the thermal field and in series of the
displacement of the machine tool is possible simultaneously during
the design phase. This method was implemented and is already used
industrially in the design of machining centres in order to improve
the quality of herewith manufactured workpieces.

• G. Kehl
• P. Wagner

• Accuracy
• design process
• finite element analysis
• machine tools
• thermal simulation.

[1] Bryan, J.: International Status of Thermal Error Research. In: Annals of
the CIRP Vol. 39/2/1990.
[2] Weck, M.; McKeown, P.; Bonse, R.; Herbst, U.: Reduction and
Compensation of Thermal Errors in Machine Tools. In: Annals of the
CIRP Vol. 44/2/1990.
[3] Denkena, B.; Scharschmidt, K.-H.: Kompensation thermischer
Verlagerungen. In: wt-online 97 (2007) H. 11/12.
[4] N.N.: VDI-Wärmeatlas, 10. Auflage (2006).
[5] Ess, M.: Thermische Simulation von Werkzeugmaschinen. In: Tagungsband
des IWF-Symposiums: Simulation von Werkzeugmaschinen,
Zürich, 13.1.2009.
[6] Fleischer, J.; Pabst, R.; Zanger, F.: Modellierung des Wärmeeintrages
bei der Trockenbearbeitung von Fahrzeugkomponenten aus Grauguss.
In: Spanende Fertigung, 5. Ausgabe, Vulkan-Verlag, Essen, 2008.
[7] Heisel, U.; Popov, G.; Stehle, T.; Dragov, A.:
WärmeübergangsbedingungenanWerkzeugmaschinenwänden. In: dima
die maschine 57 (2003), Nr. 4, pp. 24 – 27.
[8] Schmitt, T.: Modell der Wärmeübertragungsvorgänge in der
mechanischen Struktur von CNC-gesteuerten Vorschubsystemen.
Dissertation an der TH Darmstadt, 1995.
[9] Kehl, G.; Wurzberger, P.: Integrierte Simulation von Strukturmechanik
und Regelungstechnik an Bearbeitungszentren. CADFEMInformationstag:
Gekoppelte Regelkreissimulation in ANSYS, Fellbach,
25.4.2007.
[10] Würz, T.: Verbesserung der Simulationsgenauigkeit beim Wärmegang
an Werkzeugmaschinen. FWF-Forschungsinfo Nr. 22 / Oktober 2007.
[11] Neugebauer, R.; Zwingenberger, C.; Schädlich, K.; Vesely, J.:
Simulation des Wärmegangs von Werkzeugmaschinen. Final Report of
German Research Project FWFNr. 2609, Term: 01.09.2005 to
30.06.2008.
[12] Neugebauer, R.; Zwingenberger, C.; Kehl, G.: Improving the Precision
of Machine Tools by Thermal Simulation. In: ATZproduktion, 03-04 /
September 2009.