Anspruchsvolle Zerspanprozesse analysieren und beherrschen.

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1 Anspruchsvolle Zerspanprozesse analysieren und beherrschen. Get Better. With Kistler. Zerspankraftmessung Präzise Messsysteme für die spanabhebende Fertigung

2 Kristalle bilden die Grundlage der piezoelektrischen Sensoren Kistler Ihr Partner für Wirtschaftlichkeit und Qualität. Sensoren und Systeme zur Messung von Kräften und Drehmomenten, zur Analyse von Kraft-Weg- und Kraft-Zeit-Verläufen und zur Dokumentation von Qualitätsdaten in Montage und Produktprüfung sind nur ein Baustein aus den Branchenlösungen der Kistler Instrumente AG. Neben der Montage- und Prüftechnik bieten wir auch spezielle Sensoren und Überwachungssysteme für die mechanische Fertigung, für Verbrennungsmotoren, für die Fahrzeugtechnik, die Kunststoffverarbeitung und die Biomechanik. Zu den Kernkompetenzen von Kistler zählen Entwicklung, Produktion und Einsatz von Sensoren zur Messung von Druck, Kraft, Drehmoment und Beschleunigung. Die daraus gewonnenen Messsignale lassen sich durch das Kistler Know-how und unsere elektronischen Systeme aufbereiten und nutzen. Ziel ist die Analyse physikalischer Vorgänge. Diese finden Anwendung in der Regelung und Optimierung von Prozessen und bei der Steigerung der Produktqualität im Verarbeitenden Gewerbe. Jährlich investiert Kistler 10 % des Umsatzes in Forschung und Entwicklung und schafft damit innovative und wirtschaftliche Lösungen auf dem neuesten Stand der Erkenntnisse. Die Kistler Gruppe besteht aus 30 Gruppengesellschaften. Diese sind in weltweit 30 Ländern an insgesamt 53 Standorten präsent. In über 30 weiteren Ländern vertreiben ausgesuchte Vertretungen Kistler Produkte und Lösungen. 2

3 Grundlagen der Zerspankraftmessung. Fräsen von hochlegiertem Stahl mit Dynamometer Typ 9255C Herausforderungen in der Fertigung Die spanabhebende Bearbeitung ist nach wie vor die wichtigste Art des Formens und bildet die Grundlage zu technischen Erzeugnissen aller Art. Diese Art der Fertigung hat sich in den letzten Jahrzehnten sehr stark verändert. Anforderungen an die Leistungsfähigkeit der Zerspanprozesse und die Fertigungserzeugnisse sind ständig gestiegen. Von Fertigungserzeugnissen wird unabhängig von der Losgrösse erwartet, dass sie qualitativ überzeugen, aber auch wirtschaftlich sind. Detaillierte Kenntnisse der Zerspanvorgänge sind unabdingbar, um diesen Anforderungen überhaupt gerecht zu werden. Wichtige Indikatoren sind dabei die auftretenden Kräfte und Momente, die Aussagen über die Qualität des Fertigungsprozesses überhaupt erst ermöglichen. Hochdynamische Kräfte wie sie in der Zerspanung auftreten, sind nur mit ausgeklügelten und für den Einsatz in der rauen Maschinenumgebung entwickelten Sensorsystemen mess- und analysierbar. Erfassung hochdynamischer Kräfte beim Zerspanen Piezoelektrische Sensoren von Kistler ermöglichen die Erfassung hochdynamischer Prozesse mit einer unerreichten Signalqualität. Damit geben sie einen wertvollen Einblick in den eigentlichen Prozess und bilden die Grundlage für sichere, produktive und reproduzierbare Fertigungsprozesse. Wofür wird die Zerspankraftmessung eingesetzt? Analyse des Zerspanvorganges Optimierung des Fertigungsprozesses Vergleich und Optimierung von Bearbeitungsstrategien Quantifizierung der in plastomechanischen Prozessen umgesetzten Energie Bestimmung von Werkstoffcharakteristiken und Zerspanbarkeit Analyse von Verschleissmechanismen Auslegung von Maschinenstrukturen/-komponenten Optimierung an Werkzeugen Verifikation von Simulationsergebnissen und Prozessmodellen 3

4 Möglichkeiten der Zerspankraftmessung Dank stetig weiterentwickelter Sensorik ist es möglich, die Kräfte in allen drei Richtungen beim Drehen, Fräsen, Bohren, Schleifen sowie anderen Fertigungsprozessen präzise zu erfassen. Mit Hilfe hoch empfindlicher und äusserst steifer Messelemente sind sogar Bruchteile eines Newtons, kombiniert mit sehr hohen Zahneingriffsfrequenzen wie sie in der Mikrobearbeitung auftreten, messbar. Verantwortlich dafür sind so genannte Dynamometer, die in stationärer oder rotierender Ausführung erhältlich sind. Die Auswertung der erfassten Signale erfolgt mithilfe von Elektronik und Software. Jahrzehntelange Erfahrung kombiniert mit detailliertem Applikationswissen sowie neue und zukunftsorientierte Produkte verleihen Kistler die weltweit führende Stellung im Bereich der Zerspankraft- Sensorik. Mikrobearbeitung mit Dynamometer Typ 9119AA2 Beschleunigungen in der spanenden Fertigung Neben den Kraft- und Drehmomentsignalen kann auch die Erfassung der Beschleunigungen wichtig sein, um einen Fertigungsprozess zu analysieren. Bekannt ist beispielsweise das Rattern, bei dem der Zerspanprozess aufgrund der Eingriffsverhältnisse instabil wird, das System in Eigenschwingung gerät und die Qualität des Werkstücks negativ beeinflusst. Solche Ratterschwingungen sind mit Beschleunigungssensoren einfach erfassbar. Gerade in der Forschung werden die Kraft- und Drehmomentsignale häufig mit denen von Beschleunigungssensoren kombiniert, um spezielle Effekte zu erkennen. Kistler ist ein Hersteller hochwertiger Sensoren für die Messung von Beschleunigung und Acoustic Emission. Aufgrund ihrer Robustheit sind sie in der spanenden Fertigung einsetzbar und ermöglichen wertvolle Einblicke in die Dynamik von Fertigungsprozessen. 4

5 Prozessanalyse und -optimierung. Zentrale Grösse des Zerspanprozesses Fertigungsprozesse gesamtheitlich zu optimieren und dabei die Herstellkosten zu reduzieren sind grundlegende Voraussetzungen, um wirtschaftlicher produzieren zu können. Dass dabei Qualitätsaspekte nicht vernachlässigt werden dürfen, versteht sich von selbst. Durch die steigenden Anforderungen an Fertigungsprozesse gewinnt die Prozessanalyse und -optimierung an Bedeutung. Aufgrund ihrer Aussagekraft spielen Kräfte und Momente dabei eine zentrale Rolle. Die zur Quantifizierung dieser beiden Grössen eingesetzten piezoelektrischen Dynamometer sind sowohl in der universitären Grundlagenforschung als auch in Fertigungstechnologie-Labors in der Industrie unersetzliche Hilfsmittel. Sichere Fertigungsprozesse dank Prozessanalyse Die Optimierung von Fertigungsprozessen hinsichtlich Wirtschaftlichkeit ist allerdings nur ein Aspekt. Ein mindestens ebenso wichtiger ist die Beherrschbarkeit des Prozesses, insbesondere von sicherheitskritischen Bauteilen. Beispiele aus der Luft- und Raumfahrt zeigen, dass das Nichtbeherrschen von Fertigungsprozessen fatale Folgen haben kann. Erschwerend kommt hinzu, dass gerade in der Luftfahrt, aber vermehrt auch in anderen Industrien, schwerzerspanbare Werkstoffe wie zum Beispiel Titan- und Nickelbasislegierungen, aber auch kohlenfaserverstärkter Kunststoff (CFK) eingesetzt werden, deren fertigungstechnische Beherrschung ein enormes Wissen und detaillierte Prozessanalyse voraussetzt. Fräsen mit Dynamometer Typ 9129AA Dynamometer als Grundlage der Prozessanalyse Aus diesen Gründen werden piezoelektrische Dynamometer zur Bestimmung der Zerspanbarkeit von Werkstoffen, der Verbesserung von Werkzeugen, Werkzeuggeometrien und -beschichtungen sowie zur Qualifizierung von Bearbeitungsstrategien eingesetzt. Daneben leisten sie wertvolle Dienste bei der Untersuchung der Spanbildung und des Werkzeugverschleisses und nicht zuletzt bei der Verifikation von Prozesssimulationen und -modellen. Piezoelektrische Kraftsensoren bieten sowohl Herstellern von Bauteilen und Komponenten als auch Herstellern von Kühlschmiermitteln, Werkzeugen und Spannmitteln einen untrügerischen Einblick in die Beeinflussung des Prozesses durch ihre Produkte. Eine Abgrenzung gegenüber Konkurrenzprodukten wird dadurch erst möglich und kann ein entscheidendes Verkaufsargument sein. Kräfte beim Zerspanen geben direkt oder indirekt Aufschluss über: Zerspanbarkeit von Werkstoffen Verschleissmechanismen Oberflächenqualitäten Formabweichungen Vibrationen/instabile Eingriffsverhältnisse Eigenspannungen Thermische Energie im System 5

6 Aufbau der Dynamometer. Messen mit Dynamometern Grundsätzlich ist zwischen zwei Dynamometer-Familien zu unterscheiden. Zum einen sind das die stationären Dynamometer, die meist auf dem Maschinentisch aufgebaut werden, zum anderen die rotierenden Dynamometer auch RCD genannt die über die Spindelschnittstelle in die Spindel eingezogen werden und mitrotieren. Stationäre Dynamometer Stationäre Dynamometer sind sehr vielseitig einsetzbar. Das Werkstück wird dabei oftmals auf dem Dynamometer befestigt, womit die Reaktionskräfte in Fertigungsprozessen wie Fräsen oder Bohren gemessen werden. Auch für Drehanwendungen werden stationäre Dynamometer verwendet. Diese werden mit entsprechenden Maschinenadaptern direkt am Revolverkopf angebracht. Auf dem Dynamometer wird das Werkzeug mit einem passenden Werkzeughalter platziert. Die auftretenden Kräfte werden, je nach Aufbau des stationären Dynamometers, von einem oder mehreren Mehrkomponenten-Kraftsensoren aufgenommen und stehen am Stecker des Dynamometers in Form von Ladungssignalen zur Verfügung. Rotierende Dynamometer Rotierende Dynamometer (RCD) werden über die Spindelschnittstelle direkt von der Maschinenspindel aufgenommen. Mit Hilfe eines Werkzeughalters wird das Werkzeug an das RCD montiert. Verwendung findet das RCD hauptsächlich in Fräs- und Bohrprozessen. Im Gegensatz zu stationären Dynamometern wird in ein rotierendes Dynamometer jeweils nur ein Mehrkomponenten- Sensor verbaut. Neben dem Sensor enthält der Rotor auch die Ladungsverstärker, also diejenige Elektronik, die Ladung in Spannung umwandelt, sowie die Telemetrie-Elektronik. Die Messdaten werden über eine Nahfeld-Telemetrie an den stationären Teil der Messkette weitergegeben, wo sie anschliessend als analoge Spannungssignale zur Verfügung gestellt werden. Piezoelektrische Technologie in Dynamometern Die konsequente Verwendung der piezoelektrischen Technologie in den Dynamometern bringt einige entscheidende Vorteile mit sich. Nennenswert ist beispielsweise der grosse Messbereich, der sich über mehrere Dekaden erstreckt. In Kombination mit der hohen Linearität, die piezoelektrische Sensoren mitbringen, ist es möglich, auch mit grossen Dynamometern kleine Kräfte zu messen. Ein weiterer entscheidender Vorteil ist der steife Aufbau der Messgeräte und die hohe Steifigkeit von piezoelektrischen Kristallen an sich. Damit werden hohe Eigenfrequenzen des Dynamometers erreicht. Diese wiederum lassen zu, dass auch Prozesse mit hohen Zahneingriffsfrequenzen, d.h. Anregungsfrequenzen sauber erfasst und gemessen werden können. Kistler Dynamometer sind für die Anwendung in rauen Umgebungen konzipiert und daher sehr robust und langlebig aufgebaut. Vorteile von piezoelektrischen Dynamometern von Kistler Hohe Steifigkeit und damit hohe Eigenfrequenz Grosser Messbereich Robustheit Kühlschmiermittelfest (IP67) Kompakter Aufbau Äusserst langlebig Einfache Handhabung 6

7 Fx Mz Fx Mz Fx Fz Fz Fz Fy Fz Fx Fy Mz Fz Fy Fx Fy Mz Fz Fy Fx Fy F y F z F x Fx Fz Fx Fy Mz Fz Fx Fy Mz Fz Fy Stationäre 3-Komponenten-Dynamometer enthalten vier 3-Komponenten-Kraftsensoren, die unter hoher Vorspannung in die Struktur des Dynamometers eingebaut werden. Die Ausgänge der vier Sensoren sind so verschaltet, dass neben der üblichen 3-Komponenten-Kraftmessung auch die Kraft-/Momentmessung (F x, F y, F z, M x, M y, M z) ermöglicht wird, wobei die Momente aus Kraftkomponenten berechnet werden. Der Aufbau der Sensoren und des Dynamometers schliesst Erdschleifenprobleme weitgehend aus. Stationäre 4-Komponenten-Dynamometer enthalten lediglich einen Mehrkomponenten-Sensor. Dieser wird ebenfalls unter hoher Vorspannung in die Struktur eingebaut. Die Messung der drei Kraftkomponenten (F x, F y, F z) erfolgt durch die Stapelung von Messelementen mit den entsprechend empfindlichen Richtungen. Das direkte Messen des Drehmoments M z wird durch eine Vielzahl von schubempfindlichen Kristallen ermöglicht, die tangential um die vertikale Achse des Sensors angeordnet sind. Rotierende Dynamometer sind je nach Ausführung mit einem 2- oder 4-Komponenten-Sensor ausgerüstet. Dieser wird unter hoher Vorspannung zwischen den Spindeladapter und den Werkzeughalter des RCD gespannt. Der Aufbau des verwendeten 4-Komponenten-Sensors ist ähnlich zu dem Sensor, der in stationären 4-Komponenten-Dynamometern verbaut wird, allerdings ist dieser Sensor komplett rotationssymmetrisch, um einer Unwucht vorzubeugen. Vorteile von stationären Dynamometern Sehr universell einsetzbar Äusserst robust Nichtrotierendes Koordinatensystem Vorteile von rotierenden Dynamometern Direkte Messung des Momentes M z Messung sehr nahe am Werkzeug Keine Beeinflussung der Dynamik durch Veränderung der Masse des Werkstücks 7

8 Aufbau stationärer Dynamometer. Einfluss der Vorspannung Der Aufbau von Dynamometern ist grundsätzlich immer ähnlich. Ein piezoelektrischer Kraftsensor wird unter hoher Vorspannung zwischen zwei massiven Platten, der Grund- und der Deckplatte, montiert. Eine sogenannte Vorspannschraube, die durch das Zentrum des Sensors geführt wird, verbindet Grund- und Deckplatte und stellt sicher, dass der dazwischen platzierte Kraftsensor vorgespannt ist. Diese Vorspannung ist aus zwei Gründen ausserordentlich wichtig. Einerseits kann der Aufbau nur dank der Vorspannung Schubkräfte aufnehmen und entsprechend messen. Andererseits stellt die Vorspannung ein lineares Verhalten des Dynamometers sicher. Vor allem bei kleinen Kräften würde sich die Struktur ohne die Vorspannung deutlich nicht-linear verhalten. Möglichkeiten der Vorspannung Für die stationären Dynamometer gibt es zwei Möglichkeiten, den Sensor vorzuspannen. Bestens bekannt ist die vertikale Vorspannung. Sie wird seit vielen Jahren praktiziert. Daneben wurde in den letzten Jahren die horizontale Vorspannung vermehrt angewendet. Auf die beiden Vorspannmethoden wird nachfolgend eingegangen. Vorteile von Dynamometern mit vertikaler Vorspannung Grösserer Messbereich Kaum Grenzen in Bezug auf Baugrösse Vorteile von Dynamometern mit horizontaler Vorspannung Signifikante Minimierung von thermischen Einflüssen auf Signale Kompakter Aufbau Höhere Eigenfrequenzen Schema vertikal vorgespanntes Dynamometer Vertikale Vorspannung Die vertikale Vorspannung bildet die klassische Methode eines Aufbaus. Ein Mehrkomponenten-Kraftsensor wird zwischen eine Grund- und Deckplatte platziert und mit einer Vorspannschraube verspannt. Die Vorspannung erfolgt in vertikaler Richtung man spricht in diesem Fall auch von der Standard-Vorspannung. Schema horizontal vorgespanntes Dynamometer Horizontale Vorspannung Viel weniger verbreitet ist die von Kistler patentierte horizontale Vorspannung. Der klassische Aufbau mit Grund- und Deckplatte wird dabei nicht mehr verwendet, stattdessen werden zwei Mehrkomponenten-Kraftsensoren zwischen den beiden Seiten- und der Deckplatte mit einer Vorspannschraube vorgespannt. Die Vorspannrichtung ist horizontal. Durch die geeignete Wahl des Koordinatensystems der beiden gemeinsam vorgespannten Sensoren und entsprechende Verschaltung der Signale, können negative Einflüsse von Temperaturänderungen auf das Messsignal signifikant verkleinert werden. Daneben sind die kleinere Bauhöhe sowie höhere Eigenfrequenzen weitere Vorteile dieser Vorspannmethode. 8

9 Messtechnologie. Prinzip des longitudinalen piezoelektrischen Effekts unbelasteter Kristall belasteter Kristall Eigenheiten piezoelektrischer Materialien Alle von der Firma Kistler hergestellten und für den Einsatz in der Zerspanung optimierten Dynamometer basieren auf dem piezoelektrischen Messprinzip. Als sensitive Elemente werden piezoelektrische Materialien in die Sensoren eingebaut. Diese erzeugen eine zur einwirkenden Belastung proportionale Ladung. Piezoelektrische Materialien sind grundsätzlich in eine Richtung empfindlich und werden entsprechend der gewünschten Messrichtung aus den Kristall- oder Quarzbarren herausgeschnitten. Longitudinaler Effekt Möglichkeit zur Erhöhung der Ladungsausbeute Kristallscheibe Nutzung verschiedener Effekte Im Fall von 3-Komponenten-Kraftsensoren wird für die Messung der Kräfte sowohl der longitudinale Effekt als auch der Schubeffekt genutzt. Wird eine longitudinale Kristallscheibe vertikal belastet, entstehen in der Scheibe kleinste Verschiebungen der Ladungsschwerpunkte. Im Gegensatz zu Kristallen mit longitudinalem Schnitt reagieren Kristalle mit Schnitt in Schubrichtung empfindlich auf Schubbelastung. Auch beim Schubeffekt kommt es zur Verschiebung der Ladungsschwerpunkte im sogenannten Schubkristall, woraus sich eine Ladungsdifferenz zwischen den Oberflächen ergibt. Diese messbaren Ladungsdifferenzen werden mit hochisolierenden Kabeln an den Ladungsverstärker weitergegeben, wo sie in Spannungssignale umgewandelt werden. Prinzip des Schubeffekts unbelasteter Kristall belasteter Kristall Bedeutung der Reinheit Die beschriebenen Ladungsdifferenzen sind äusserst klein. Um diese überhaupt sinnvoll messen zu können und auch um die hohen Isolationswiderstände zu erreichen, werden an die Produktions- und Reinigungsprozesse sämtlicher Bauteile der Sensoren und Kabel in Bezug auf Reinheit sehr hohe Anforderungen gestellt. Nur so können negative Beeinflussungen der Messsignale vermieden werden. Angriffsart der Kraft z Schubeffekt Vorteile der piezoelektrischen Technologie in Dynamometern für die Zerspanung Hohe Flächenpressung von rund 150 N/mm 2 Hohe Linearität Sehr hohe Steifigkeit Vernachlässigbare Hysterese Grosser Frequenzbereich Nahezu unbegrenzte Anzahl von Belastungszyklen 9

10 Messketten. Messen Das Kernstück eines Messsystems für die Zerspankraftmessung ist das eigentliche Messgerät: ein Dynamometer. Mit diesem Dynamometer werden die auftretenden Kräfte und, je nach Typ, auch die Momente gemessen. Im Mittelpunkt steht auch beim Messen von Zerspankräften die Zuverlässigkeit des Systems. Damit dies garantiert werden kann, legt Kistler bereits bei der Planung der Messgeräte grossen Wert auf abgestimmte Komponenten. Ein besonderes Augenmerk wird dabei auf die Stabilität und Kennwerte der Einzelkomponenten sowie deren Isolation gegen Kühlmittel und andere Verschmutzungen gerichtet. Dynamometer und Kabel sind grundsätzlich masseisoliert aufgebaut und garantieren damit einen störungsfreien Betrieb. Verbinden Eine zuverlässige Verbindung zwischen Dynamometer und nachgeschaltetem Ladungsverstärker ist für die Qualität der Messsignale von grösster Bedeutung. Die masseisolierten Kabel für die Zerspankraftmessung sind mit einem dichten Metallschlauch geschützt und eignen sich damit für den rauen Betrieb im Bearbeitungsraum einer Werkzeugmaschine. An beiden Enden sind die Kabel mit stabilen Steckern versehen, womit an der Verbindung zum stationären Dynamometer die Schutzart IP67 erreicht wird. Das von Kistler angebotene Kabelkonzept ist einheitlich und vereinfacht somit die Anwendung. Messen Verbinden Verstärken Rotierende Dynamometer Stationäre Dynamometer 10

11 Verstärken Um die Ladungsdifferenz, die bei Belastungen von piezoelektrischen Sensoren entsteht, sinnvoll zu nutzen, sind so genannte Ladungsverstärker notwendig. Diese im Wesentlichen aus einem invertierenden Spannungsverstärker mit hoher innerer Verstärkung bestehende Elektronik wandelt die Ladungssignale in proportionale Spannungssignale um. Dynamometer, die mehrere Komponenten messen, benötigen die entsprechende Anzahl an Ladungsverstärkerkanälen. Die von Kistler entwickelten Mehrkanal-Ladungsverstärker sind für Messaufgaben wie die der Zerspankraftmessung optimiert und teilweise sehr modular aufgebaut. So lassen sich Kraft- und Beschleunigungssignale sehr einfach auf demselben Gerät kombinieren. Die Einstellung der Parameter kann je nach Typ menügeführt direkt am Ladungsverstärker oder bequem am Computer vorgenommen werden. Erfassen/Analysieren Für die Datenerfassung und -analyse bei der Zerspankraftmessung bietet Kistler eine optimierte Software an. Mit der Kistler DynoWare ist es möglich, alle für die Datenerfassung wichtigen Parameter der jeweiligen Ladungsverstärker einzustellen. Die erfassten Daten werden grafisch dargestellt und erleichtern zusammen mit verschiedenen Funktionen die Signalverarbeitung und Analyse der Messsignale. Mit DynoWare lassen sich die Daten einfach dokumentieren und exportieren. Erfassen Analysieren 11

12 Zerspankraftmessung Drehen. Drehen mit Dynamometer Typ 9129AA Grundlagen des Drehens Drehen ist ein Prozess mit geometrisch bestimmter Schneide und kreisförmiger Schnittbewegung, wobei in der Regel das Werkstück die Drehbewegung und das Werkzeug die Vorschubbewegung ausführt. Drehen als Modellfall des Spanens Das Drehen, insbesondere das Längsrunddrehen, ist ein Modellfall des Spanens mit geometrisch bestimmter Schneide und wird aufgrund der konstanten Eingriffsverhältnisse eingesetzt, um spezifische Kräfte (k c, k p, k f) von bestimmten Werkstoffen mit verschiedenen Randbedingungen zu bestimmen und diese zu charakterisieren. Gerne wird auf die Zerspankraftmessung beim Drehen zurückgegriffen, um plastomechanische Vorgänge im eigentlichen Schnittvorgang zu untersuchen, die Spanbildung und deren Einfluss auf den Prozess zu analysieren oder Verschleissvorgänge mit Kraftverläufen zu unterlegen. Stationäre Dynamometer beim Drehen Um die Kräfte beim Drehen zu messen, werden stationäre Dynamometer eingesetzt. Diese teilweise modular aufgebauten Dynamometer, werden üblicherweise mithilfe eines passenden Adapters am Revolverkopf der Werkzeugmaschine montiert. Das Werkzeug wird mit einem Werkzeughalter auf dem Dynamo- 12

13 meter befestigt, wodurch das Dynamometer zwischen dem Werkzeug und dem Revolverkopf eingebettet ist. Mit diesem Aufbau lassen sich die Kräfte akkurat und hochdynamisch erfassen, sodass auch kleinste Änderungen in der Prozesskette sofort quantifiziert werden können. Die durch den Drehprozess erzeugte Zerspankraft wird mithilfe von Mehrkomponenten-Dynamometern unmittelbar in die drei Komponenten Schnittkraft F c, Vorschubkraft F f sowie Passivkraft F p aufgeschlüsselt. Modularität stationärer Dynamometer Je nach Baugrösse der Werkzeugmaschine, der Werkzeuge und den Belastungen stehen dem Anwender mehrere Dynamometer zur Zerspankraftmessung beim Drehen zur Verfügung. Sie sind modular aufgebaut und können in wenigen Arbeitsschritten mit verschiedenen Maschinenadaptern und Werkzeughaltern ausgerüstet werden. Aufgrund ihres Aufbaus sind negative thermische Effekte weitgehend minimiert, wodurch die Signalqualität und deren Aussagekraft deutlich gesteigert wird. Grundlagenversuche beim Drehen mit Dynamometer Typ 9129AA Zoom on F p [N] F c [N] F f [N] f Time [s] Typische Messsignale beim Drehen F p F c F f Direkt messbare Kraftkomponenten beim Drehen Kräfte beim Längsdrehen Schnittkraft Vorschubkraft Passivkraft F c F f F p 13

14 Zerspankraftmessung Fräsen. Fräsen mit stationärem Dynamometer Typ 9129AA Grundlagen des Fräsens Fräsen ist wie das Drehen ein Prozess mit geometrisch bestimmter Schneide. Das rotierende und meist mehrschneidige Werkzeug führt die Schnittbewegung aus und die Vorschubbewegung wird je nach Bauart der Werkzeugmaschine durch den Spindelkopf oder den Maschinentisch ausgeführt. Der Schnitt ist unterbrochen, das heisst, die Werkzeugschneide ist nicht während der vollen Umdrehung im Eingriff. Durch die sich verändernde Spanungsdicke und die variierende Anzahl der Schneiden im Eingriff, ändern sich die Kräfte ständig. Dadurch wird das Dynamometer dynamisch sehr stark belastet. Besonders beim Fräsen sind die hohen Eigenfrequenzen der piezoelektrischen Dynamometer ein entscheidender Vorteil, um trotz hoher Zahneingriffsfrequenzen qualitativ hochwertige Signale zu erhalten. Für die Zerspankraftmessung beim Fräsen können je nach Bedarf und Anforderung stationäre oder rotierende Dynamometer eingesetzt werden. Stationäre Dynamometer beim Fräsen Wird ein stationäres Dynamometer eingesetzt, so wird dieses auf den Maschinentisch montiert, während das Werkstück auf das Dynamometer aufgebaut wird. Um die Masse auf dem Dynamometer und damit den negativen Einfluss auf die Dynamik des Dynamometers zu reduzieren, wird das Werkstück direkt auf das 14

15 Dynamometer verschraubt und damit auf schwere und oftmals nichtsteife Spannzeuge verzichtet. Die in der Arbeitsebene wirkende Aktivkraft F a kann mit einfachen Schritten aus Vorschubkraft und Vorschubnormalkraft berechnet werden F x [N] F y [N] F z [N] Rotierende Dynamometer beim Fräsen Ein rotierendes Dynamometer (RCD) wird direkt in die Maschinenspindel eingesetzt, während das Werkzeug über entsprechende Werkzeughalter mit dem RCD verbunden wird. Durch die Verbindung zur Maschinenspindel dreht sich ein RCD während des Betriebs mit. Gegenüber stationären Dynamometern besitzt ein RCD zwei Vorteile: Einerseits wird die Dynamik des Messinstrumentes nicht durch sich ändernde Massen beeinflusst, da die Werkzeugmasse konstant bleibt. Andererseits ist es mit Hilfe des eingebauten Mehrkomponenten-Sensors möglich, das Moment M z während der gesamten Messung direkt zu messen, womit beispielsweise gezielte Aussagen über den Werkzeugverschleiss möglich werden Time [s] Typische Messsignale beim Fräsen (erfasst mit stationärem Dynamometer) Auch bei Verwendung von rotierenden Dynamometern lässt sich die auf der Arbeitsebene wirkende Aktivkraft F a mit einfachen Schritten aus den Kräften F x und F y berechnen. Die wirkende Schnittkraft F c sowie die Schnittnormalkraft F cn lassen sich mithilfe des Drehmomentes M z und der Aktivkraft berechnen. f M z Messbare Kräfte beim Fräsen mit stationärem Dynamometer F fn F f Vorschubkraft (Kraft in Vorschubrichtung des Werkzeugs) Vorschubnormalkraft (Kraft senkrecht zu F f) Passivkraft F f F fn F p F p Messbare Kräfte beim Fräsen mit rotierendem Dynamometer Kräfte beim Stirnfräsen Spindeldrehmoment Passivkraft Kräfte F x und F y in der Arbeitsebene M z F p 15

16 Zerspankraftmessung Bohren. Bohren mit rotierendem Dynamometer Typ 9170A Grundlagen des Bohrens Bohren ist ebenfalls ein Prozess mit geometrisch bestimmter Schneide. Auf derselben Verfahrenskinematik basieren auch dem Bohren ähnliche Verfahren wie das Senken, Reiben oder Gewindebohren. Meist weisen die dabei eingesetzten Werkzeuge mehrere Schneiden auf. Das in den meisten Fällen rotierende Werkzeug führt die Schnittbewegung aus und der Vorschub wird je nach Bauart der Werkzeugmaschine durch den Spindelkopf oder den Maschinentisch ausgeführt. Aufgrund des nicht unterbrochenen Schnittes entstehen oftmals zu lange Späne, die zudem noch aus der Bohrung herausgefördert werden müssen. Die thermische Belastung des Werkstücks und des Bohrwerkzeugs ist gross, weshalb diesem Prozess besonders bei sicherheitskritischen Bauteilen besondere Beachtung geschenkt wird. Die Kühlung des Bohrprozesses ist dabei von grosser Wichtigkeit. Möglichkeiten der Kraftmessung Für die Messung der Prozesskräfte können beim Bohren sowohl stationäre als auch rotierende Dynamometer eingesetzt werden. Ein rotierendes Dynamometer (RCD) wird direkt in die Maschinenspindel eingesetzt, während das Werkzeug durch entsprechende Werkzeughalter mit dem RCD verbunden wird. Durch die Verbindung zur Maschinenspindel dreht sich ein RCD während des Betriebs mit. Vorteile bei der Benutzung eines rotierenden Dynamometers Direkte und präzise Messung des Bohrprozesses M z Verwendung der Innenkühlung des Werkzeugs möglich Keine Beeinflussung der Dynamik des Messgerätes durch die Werkstückmasse 16

17 Die auf das Bohrwerkzeug wirkende Schnittkraft F c und Passivkraft F p lassen sich mit Hilfe des Bohrmomentes M z und den Abdrängkräften F x, F y berechnen, während die Vorschubkraft F f direkt ermittelt werden kann. Rotierende Dynamometer beim Bohren Gegenüber dem stationären Dynamometer weist der Einsatz von rotierenden Dynamometern beim Bohren entscheidende Vorteile auf, weshalb sich die Verwendung von RCDs für die Messung der Kräfte beim Bohren empfiehlt. Besonders der erste Vorteil, nämlich dass die Messung des Bohrmomentes direkt erfolgt, ermöglicht beispielsweise den Verschleisszustand von Werkzeugen im Prozess sauber zu erfassen Mz [N m] Time [s] Fz [N] Stationäre Dynamometer beim Bohren Für die Erfassung der Kräfte beim Bohren können auch stationäre Dynamometer eingesetzt werden. Mit diesen ist es möglich, die Kräfte in drei Richtungen zu erfassen. Das Drehmoment wird jedoch nicht direkt gemessen, sondern aus den verschiedenen Messsignalen der Kraftsensoren berechnet Time [s] Typische Messsignale beim Bohren (erfasst mit rotierendem Dynamometer) f Direkt messbare Komponenten bei Bohrprozessen mit rotierendem Dynamometer M z Bohrmoment Abdrängkraft Abdrängkraft Vorschubkraft M z F x F y F f F x F y F f Direkt messbare Komponenten bei Bohrprozessen mit stationärem Dynamometer Kräfte beim Bohren Vorschubkraft Abdrängkraft Abdrängkraft F f F x F y 17

18 Piezoelektrische Technologie Ladungsverstärker. Ladungsverstärker Sensor Kabel Q U o = Ausgangsspannung A = Verstärkungsfaktor C t = Kapazität des Sensors C c = Kabelkapazität C r = Bereichs- oder Gegenkopplungskondensator R t = Zeitkonstantenwiderstand (oder Isolationswiderstand des Bereichskondensators) R i = Isolationswiderstand im Eingang (Kabel und Sensor) Q = vom piezoelektrischen Element abgegebene elektrische Ladung Prinzip-Schaltbild einer piezoelektrischen Messkette Ladungsverstärker Ladungsverstärker wandeln die von einem piezoelektrischen Sensor abgegebene Ladung in eine proportionale Spannung um. Ein Ladungsverstärker besteht im Wesentlichen aus einem invertierenden Spannungsverstärker mit hoher innerer Verstärkung und kapazitiver Gegenkopplung. Vernachlässigt man in der Betrachtung die beiden Widerstände R t und R i,ergibt sich folgende Ausgangsspannung: U o = -Q 1 C r (C t + C r + C c ) AC r Bei genügend grosser innerer Verstärkung A geht der Quotient 1/ACr gegen Null. Die Kabel- und Sensorkapazität verlieren damit ihren Einfluss und die Ausgangsspannung hängt nur von der Ladung am Eingang des Ladungsverstärkers und vom Bereichskondensator ab: U o = -Q C r 18

19 Der Verstärker wirkt als Integrator und kompensiert ständig die vom Sensor abgegebene elektrische Ladung mit einer entgegengesetzt gleichen Ladung am Bereichskondensator. Die dabei über dem Bereichskondensator entstehende Spannung ist proportional zu der vom Sensor abgegebenen Ladung und somit auch proportional zur wirkenden Messgrösse. Der Ladungsverstärker wandelt also eine elektrische Ladung Q am Eingang in eine dazu proportionale Spannung U o am Ausgang um, die sich leicht weiterverarbeiten lässt. Zeitkonstante und Drift Zwei für die Praxis wichtige Eigenschaften des Ladungsverstärkers sind die Zeitkonstante und die Drift. Die Zeitkonstante τ gibt die Zeit an, nach der die Spannung an einem Kondensator beim Entladen auf 1/e (37 %) des Ausgangswerts abgesunken ist. Die Zeitkonstante eines Ladungsverstärkers wird durch das Produkt der Kapazität C r des Bereichskondensators und des Zeitkonstantenwiderstands R t bestimmt: τ = R t C r Ladungsverstärker Typ 5080A... Als Drift bezeichnet man eine unerwünschte Änderung im Ausgangssignal über längere Zeit, die keine Funktion der Messgrösse ist. Auch die besten elektronischen Bauteile weisen Leckströme auf, welche hauptsächlich für die Drift verantwortlich sind. Ein zu geringer Isolationswiderstand Ri am Eingang kann eine zusätzliche Drift verursachen. Solange der Isolationswiderstand im Gegenkopplungskreis aber genügend hoch ist (>10 13 Ω) und kein zusätzlicher Zeitkonstantenwiderstand parallel geschaltet ist, driftet der Ladungsverstärker nur sehr langsam in die positive oder negative Begrenzung. Diese Drift bestimmt die mögliche Dauer von quasi-statischen Messungen und ist unabhängig vom gewählten Messbereich. Frequenz- und Zeitbereich Die Zeitkonstante beeinflusst neben dem Zeit- auch den Frequenzbereich. Sie bestimmt die untere Grenzfrequenz. Je länger die Zeitkonstante ist, desto tiefer liegt die untere Grenzfrequenz und umso länger wird die nutzbare Messzeit. Für quasi-statische Messungen im Bereich der Zerspankraftmessung wird daher immer mit der grösstmöglichen Zeitkonstante gearbeitet. 19

20 Piezoelektrische Technologie Kalibrierung. Kalibriergegenstand (Sensor) Bekannte Eingangsgrösse Ausgangssignal Kraft Empfindlichkeit 100 N 4 pc/n Q Ladung 400 pc Drehmoment 100 N m Piezo Bestimmung der Empfindlichkeit eines piezoelektrischen Kraftsensors Kalibrierung Sensoren und Messgeräte müssen regelmässig kalibriert werden, da sich ihre Eigenschaften und damit die Messunsicherheiten durch Gebrauch, Alterung und Umwelteinflüsse mit der Zeit verändern können. Die zum Kalibrieren eingesetzten Messmittel sind auf nationale Normale rückrufbar und unterliegen einer international einheitlichen Qualitätssicherung. Kalibrierzertifikate dokumentieren die bei der Kalibrierung gemessenen Werte und die Kalibrierbedingungen. Sicherheit und verlässliche Messungen Qualitätssicherungssysteme und Produkthaftungsgesetze verlangen die systematische Überwachung aller Prüfmittel, die für die Messung qualitätsrelevanter Merkmale verwendet werden. Nur so bieten die erzielten Mess- und Prüfergebnisse eine verlässliche und vertrauenswürdige Grundlage für die Qualitätskontrolle. Alle Sensoren und elektronischen Messgeräte besitzen eine gewisse Messunsicherheit. Da sich Messabweichungen mit der Zeit verändern können, müssen Prüfmittel periodisch kalibriert werden. Leitsatz: Kalibrierung ist die mittels eines definierten Verfahrens unter vorgegebenen Bedingungen durchgeführte Bestimmung des Zusammenhangs zwischen einer bekannten Eingangsgrösse und einer gemessenen Ausgangsgrösse. 20

21 Dabei bestimmt man die Abweichung des gemessenen Werts von einem durch Vereinbarung anerkannten richtigen Wert, dem Referenzwert oder so genannten Kalibriernormal. Das Ergebnis der Kalibrierung erlaubt dann entweder die Zuordnung der Werte der Messgrösse zu den angezeigten Messwerten oder die Ermittlung von Korrekturen für die Anzeige. Die dafür notwendigen Informationen werden in einem Kalibrierzertifikat dokumentiert. Kalibrierverfahren Für die Kalibrierung piezoelektrischer Sensoren wird üblicherweise das kontinuierliche Kalibrieren verwendet, so auch für die stationären und rotierenden Zerspankraft-Dynamometer. Beim kontinuierlichen Kalibrieren wird die Belastung in einem definierten Zeitraum kontinuierlich auf den gewünschten Wert erhöht und anschliessend in der gleichen Zeit wieder auf Null reduziert. Für die resultierende, nie exakt lineare Kennlinie wird eine durch den Nullpunkt verlaufende, so genannte "Beste Gerade" bestimmt, deren Steigung der Empfindlichkeit des Sensors entspricht. Die Linearität ergibt sich aus der Abweichung zwischen der Kennlinie und der Besten Geraden. Die Hysterese entspricht dem maximalen Abstand zwischen dem auf- und absteigenden Verlauf der Kennlinie. Kalibrierung auf einen Blick Kistler bietet den kompletten Service rund um das Kalibrieren: Prüfmittel-Kalibrierung akkreditiertes Kalibrierlabor (SCS 049, DKD-37701) umfassende Funktionsprüfung und vielfältige Nachweisdokumente F <105 % FSO t = s Für die Kalibrierung piezoelektrischer Kraftsensoren ist das kontinuierliche Verfahren am besten geeignet 21

22 Piezoelektrische Technologie Eigenheiten der Kalibrierung. Hochmoderne 3-Komponenten-Kalibrieranlage zur Kalibrierung von Dynamometern und Messplattformen am Kistler Hauptsitz in der Schweiz Einflüsse auf die Messergebnisse Zahlreiche mechanische, elektrische und klimatische Parameter beeinflussen das Kalibrierergebnis und damit die Genauigkeit einer Messkette. Um eine möglichst genaue Kalibrierung zu erreichen, sind Montagefehler zu vermeiden und Position und Winkel der Einleitung von Kraft sowie Drehmoment zu beachten. Zudem ist die Nichtlinearität diverser elektrischer Grössen entlang der Messkette zu berücksichtigen. Nicht zuletzt spielen Temperatur und Luftfeuchte eine wesentliche Rolle. Die gleichzeitige Kalibrierung von drei Kraftkomponenten oder drei Momenten gehört zu den anspruchsvollsten Herausforderungen in der Kalibrierung von Mehrkomponenten-Dynamometern. Auf der 3-Komponenten-Kalibrieranlage bei Kistler wird die Kraftbelastung sequenziell eingeleitet, wobei der Kalibriergegenstand in der Einbauposition verbleibt. Drift Die Drift eines Ladungsverstärkers ist eine globale Beschreibung für das Abwandern des Signalnullpunkts, hauptsächlich verursacht durch Ladungsverluste am Gegenkopplungskondensator und Leckströme am Verstärkereingang. Über den Isolationswiderstand fliesst ein Fehlstrom, wodurch der Gegenkopplungskondensator mit der Zeitkonstanten das Produkt aus Isolationswiderstand und Kondensatorkapazität exponentiell entladen wird. Bei genügend hohen Isolationswiderständen sind die Zeitkonstanten sehr hoch, sodass die Entladung nur für sehr lange Messzeiten relevant ist. Aufgrund von umfangreichen Untersuchungen ist die Driftcharakteristik von Ladungsverstärkern sehr gut bekannt, sodass deren Maximalwert zur Bewertung des Einflusses der Drift auf das Kalibrierergebnis herangezogen werden kann. 22

23 Linearität Das Gesamtverhalten elektrischer Geräte ist meist nicht linear, da selten alle Bauelemente ein lineares Verhalten aufweisen. Dies gilt auch für Ladungskalibratoren und Ladungsverstärker, deren sehr geringe nicht-lineare Charakteristik das Kalibrierergebnis beeinflusst. Auch Kraft- und Drehmomentsensoren weisen eine nicht-lineare Charakteristik auf. Die als Ergebnis der Kalibrierung bestimmte Linearität wird im Kalibrierschein ausgewiesen und fliesst als Beitrag in die Messunsicherheitsbetrachtung der Kalibrierung ein. Die Linearität des Referenzsensors ist bereits in der Messunsicherheit enthalten und bedarf keiner weiteren Berücksichtigung. Luftfeuchte Die relative Luftfeuchte beeinflusst das Verhalten elektronischer Bauteile, so auch die in Ladungsverstärkern und Ladungskalibratoren eingesetzten Kondensatoren. Bei der Typenprüfung werden die thermischen Eigenschaften elektrischer Messgeräte erfasst und dokumentiert. Mit dieser Kenntnis lässt sich der Einfluss von Luftfeuchteschwankungen auf das Kalibrierergebnis bestimmen. Best-Measurement-Capability Zur Kalibrierung nach dem Vergleichsverfahren wird ein Referenzsensor mit einer so genannten "Best-Measurement-Capability" eingesetzt, der durch seine Kalibrierung gegen ein höherwertiges Normal eine dokumentierte Messunsicherheit besitzt. Vor der Kalibrierung des Kalibriergegenstandes ist auch der Ladungsverstärker mithilfe eines Präzisions-Ladungskalibrators zu kalibrieren. Damit ist sichergestellt, dass die am Ladungsverstärker angezeigte Spannung auf die vom Kraftsensor erzeugte Ladung abgestimmt ist. Im absoluten Normalverfahren kommt eine Kalibrieranlage zum Einsatz, bei der die physikalische Eingangsgrösse vorgegeben wird. Die Kalibrieranlage hat ebenfalls eine Best-Measurement-Capability. Kalibrierung des Dynamometers Typ 9255C Temperatureinfluss Mechanische Komponenten unterliegen einer Wärmeausdehnung und der Widerstand elektronischer Bauteile ist temperaturabhängig. Eine Temperaturschwankung während des Kalibriervorgangs wirkt sich folglich direkt auf das Kalibrierergebnis aus. Die Temperaturabhängigkeit der Empfindlichkeit bei piezoelektrischen Sensoren wird im Rahmen der Typenprüfung ermittelt. Für Ladungsverstärker liegen ebenfalls zuverlässige Daten über ihr thermisches Verhalten vor. 23

24 d Mat , Kistler Group Kistler Group Eulachstrasse Winterthur Switzerland Tel Offices in Europe, Asia, Americas, Australia