Allgemeines Maschinenlabor (AML) Versuch: Zerspankraftmessung beim Drehen

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1 Allgemeines Maschinenlabor (AML) Versuch: Zerspankraftmessung beim Drehen 1 Zweck des Versuches Zweck des Versuches ist die Ermittlung der Zerspankräfte beim Drehen. Ein Drehmeißel ist ein einschneidiges Werkzeug mit geometrisch bestimmter Schneide, das im Allgemeinen einen Span mit konstantem Querschnitt abhebt. Aufgrund der einfachen geometrischen Verhältnisse, die während des Schneidvorganges konstant bleiben, eignet sich das Drehen besonders, um Abhängigkeiten der Zerspankräfte von verschiedenen Einflussgrößen aufzuzeigen. Die Kenntnis der Kräfte beim Zerspanen ist sowohl für die Praxis als auch für die Forschung von Bedeutung: a) bei der Auslegung der Werkzeugmaschine: - auf statische und dynamische Steifigkeit - Dimensionierung des Antriebes - Dimensionierung des Getriebes b) bei der Wahl optimaler Schnittbedingungen: - Einfluss des Werkstoffs - Einfluss der Maschineneinstellgrößen - Einfluss des Schneidstoffes - Einfluss der Werkzeuggeometrie - Einfluss des Kühlschmierstoffes 2 Definition des Fertigungsverfahrens Drehen Das Drehen gehört nach DIN 8580 in der Einteilung der Fertigungsverfahren in die Hauptgruppe Trennen, Gruppe Spanen mit geometrisch bestimmter Schneidenform. Unter Spanen versteht man das Trennen (Abtrennen) von Werkstoffen auf mechanischem Wege unter Entstehung von Spänen. Nach DIN 8589 ist Drehen folgendermaßen definiert: Drehen ist Spanen mit geschlossener (meist kreisförmiger) Schnittbewegung und beliebiger Vorschubbewegung in einer zur Schnittrichtung senkrechten Ebene. Die Drehachse der Schnittbewegung behält ihre Lage zum Werkstück unabhängig von der Vorschubbewegung bei. Juni 2011 Dipl.-Ing.(FH) T.Erhard, Tel.: (0511) Seite 1 von 15

2 Bild 1: Drehverfahren nach DIN 8589 T1 Je nach Form und Lage der Bearbeitungsstellen am Werkstück unterscheidet man verschiedene Drehverfahren (Bild 1). Bild 2 zeigt die am Schneidkeil definierten Flächen und Schneiden. Bild 2: Bezeichnungen am Schneidkeil und Bewegungsrichtung des Werkzeuges Juni 2011 Dipl.-Ing.(FH) T.Erhard, Tel.: (0511) Seite 2 von 15

3 3 Zerspanungstechnische Grundlagen 3.1 Die Winkel am Drehmeißel Bild 3 zeigt die Winkel am Drehwerkzeug (DIN 6581), die zur Bestimmung von Lage und Form des Werkzeugs im Raum dienen. Die Größen der zu wählenden Winkel am Werkzeug sind abhängig vom: - Werkstoff - Schneidstoff - Bearbeitungsverfahren. Bild 3: Winkel am Drehwerkzeug Juni 2011 Dipl.-Ing.(FH) T.Erhard, Tel.: (0511) Seite 3 von 15

4 3.2 Die Schnitt- und Spanungsgrößen Die Form des abzuspanenden Spanungsquerschnitts sowie die für den Zerspanprozess aufzuwendende Leistung wird entscheidend durch den Einstellwinkel bestimmt (Bild 4). Auch der Spanfluss wird durch den Einstellwinkel stark beeinflusst. Deutlich zu sehen ist, dass mit zunehmendem Einstellwinkel der Spanungsquerschnitt zwar konstant bleibt, aber aufgrund der besseren Ausnutzungen oder Verteilung des Spans auf der Spanfläche mit zwei positiven Aspekten gerechnet werden kann. Zum einen ist die Belastung der Schneide günstiger, da sie besser verteilt ist, und zum anderen wird der Span eher in Richtung des noch unbearbeiteten Werkstücks gelenkt und verringert somit die Wahrscheinlichkeit, dass die bereits gefertigte Oberfläche durch den ablaufenden Span beschädigt wird. So ist es oft möglich durch relativ einfache geometrische Veränderungen die Belastung der Schneide bzw. des Bauteils zu vermindern. Bild 4: Schnitt- und Spanungsgrößen beim Drehen mit verschiedenen Einstellwinkeln Juni 2011 Dipl.-Ing.(FH) T.Erhard, Tel.: (0511) Seite 4 von 15

5 3.3 Die Komponenten der Zerspankraft Als Zerspankraft F z wird die auf einen Schneidkeil wirkende Gesamtkraft bezeichnet, die sich aus der vektoriellen Summe von Schnittkraft F c, Vorschubkraft F f und Passivkraft F p ergibt. Die Schnittkraft F c liegt in Richtung der Schnittbewegung und ist die leistungsführende Komponente der Zerspankraft. Ihre Kenntnis ist zur Bestimmung der Antriebsleistung einer Werkzeugmaschine in den meisten Fällen ausreichend. Zur Beurteilung der erreichbaren Werkstückgenauigkeit sind darüber hinaus aber auch die Vorschubkraft (in Richtung der Vorschubbewegung) und die Passivkraft (senkrecht zu den Bewegungsrichtungen) zu beachten (Bild 5). Bild 5: Komponenten der Zerspankraft Die beim Zerspanen auftretenden Kräfte sind von zahlreichen Faktoren abhängig, z.b. - vom Werkstoff, - vom zerspanten Querschnitt, - von der Geometrie des Werkzeuges. 3.4 Die spezifische Schnittkraft Als spezifische Schnittkraft ist das Verhältnis: k c Fc A Fc a f p Fc b h Juni 2011 Dipl.-Ing.(FH) T.Erhard, Tel.: (0511) Seite 5 von 15

6 definiert. Sie ist als der Teil der Schnittkraft vorstellbar, der auf 1 mm 2 des Spanungsquerschnitts wirkt. k c ist jedoch nicht konstant, sondern wird durch verschiedene Faktoren beeinflusst. Etwa seit 1900 bemüht man sich, die Schnittkraft zu messen, um auf die spezifische Schnittkraft k c schließen zu können. Taylor gab 1907 eine Formel für die Schnittkraft an stellte Kronenberg die Abhängigkeit k c = f(a) in doppelt logarithmischem Papier als Gerade dar, die nach ihm Kronenberg-Gerade genannt wird. Weitere Untersuchungen zeigten, dass k c kaum von der Spanungsbreite b, sondern fast ausschließlich von der Spanungsdicke h abhängt (Bild 6). Bild 6: Spezifische Schnittkraft als Funktion der Spanungsdicke und breite Kienzle drückte als erster den Zusammenhang durch ein Potenzgesetz aus: k c 1 C h Z c Für einen gedachten Spanungsquerschnitt A von 1 mm Spanungsdicke h und 1 mm Spanungsbreite b definierte Kienzle die Konstante C 1 als den k c1.1 -Wert und nannte ihn Hauptwert der spezifischen Schnittkraft. Mit ihm ergibt sich: 1 Z F c c b h k c1. 1 Juni 2011 Dipl.-Ing.(FH) T.Erhard, Tel.: (0511) Seite 6 von 15

7 Der Exponent 1-Z c nennt sich Anstiegswert der spezifischen Schnittkraft. In Tabellen der spez. Schnittkraft sind entweder die k c -Werte in Abhängigkeit von h und dem Werkstoff oder die k c1.1 -Werte und 1-Z c in Abhängigkeit vom Werkstoff aufgeführt. Beispielhaft sind in Tabelle 1 einige Werte angegeben. Tabelle 1: k c1.1 und 1-z c Werte für Eisenwerkstoffe Zusammengefasst: Die spez. Schnittkraft k c beim Drehen (und auch bei anderen spanenden Verfahren) ist keine Konstante. Sie ist abhängig von: - dem Werkstückstoff, - dem Schneidstoff, - der Spanungsdicke h, - der Werkzeuggeometrie, insbesondere dem Spanwinkel, - der Schnittgeschwindigkeit v c, - dem verwendeten Kühlschmierstoff. 4 Spanbildung Man betrachtet die Spanbildung im Allgemeinen als einen zweidimensionalen Vorgang in der Ebene senkrecht zur Schneide. Beim Inschnittgehen des Werkzeuges schiebt sich der Schneidkeil, voran die Spanfläche, gegen den vom Werkstück abzutrennenden Werkstückstoff. Der Werkstückstoff wird gestaucht, bis die Stauchkraft groß genug ist, um eine Scherung in einer Fläche zu bewirken, die sich von der Schneidkante bis zur Juni 2011 Dipl.-Ing.(FH) T.Erhard, Tel.: (0511) Seite 7 von 15

8 Werkstückoberfläche erstreckt. Sobald die Scherung einsetzt, gleitet der Span über die Spanfläche ab. In Abhängigkeit vom Werkstückstoff und den Zerspanbedingungen treten unterschiedliche Spanformen auf. Bei der Stahlzerspanung mit hohen Schnittgeschwindigkeiten kommt es zu einer Spanlamellierung. Das Modell der adiabaten Scherung gibt hierfür eine Erklärung (Bild 7). Bild 7: Schematische Darstellung der Spanbildung bei der adiabaten Scherung Während des Anstauchens des Materials bildet sich eine gekrümmte Hauptschubspannungsebene aus, die spätere primäre Scherebene. Zunächst findet in dieser Ebene eine erhebliche Kaltverfestigung statt. Gleichzeitig führt jedoch die eingebrachte Energie zu einer Temperaturerhöhung und damit zu einem Abfall der Fliessspannung in diesem Bereich, wodurch die primäre Scherung in genau dieser Ebene ermöglicht wird (1-3). Während dieser Phase findet keine Relativbewegung zwischen der Spanunterseite und der Spanfläche des Werkzeugs statt. Erst mit dem Einsetzen des Schervorgangs wird die entstandene Spanlamelle auf der Spanfläche verschoben (4). Da gleichzeitig auf ihrer Rückseite die nächste Lamelle angestaucht wird, findet in der vorangegangenen Lamelle eine zusätzliche sekundäre Scherung statt (5). Voraussetzung für diesen Vorgang ist jedoch, dass die durch Verformung zugeführte Energie auch zu einer genügend hohen Temperatur in der Scherzone führt. Dies ist nur dann der Fall, wenn letztere aufgrund geringer Wärmeableitung des Schneidstoffes Juni 2011 Dipl.-Ing.(FH) T.Erhard, Tel.: (0511) Seite 8 von 15

9 einerseits und schneller Energiezufuhr andererseits, d.h. hohe Schnittgeschwindigkeit, als adiabat bezeichnet werden kann. Ist dagegen die Wärmeleitung des Materials hoch und die Verformungsgeschwindigkeit gering, so steigt die Temperatur in der primären Scherebene nicht genügend an, um eine örtliche Entfestung zu bewirken. Es überwiegt dann die Verfestigung durch plastische Verformung. Belegt wird diese Modellvorstellung durch: - den Anstieg der Spantemperatur bei Erhöhung der Schnittgeschwindigkeit, - die größere Härte des zerspanten im Vergleich zum unzerspanten Material, - Stick-Slip-Spuren auf der Spanunterseite. 5 Zerspankraftmessung 5.1 Indirekte Messung Sind der mechanische Wirkungsgrad der Drehmaschine mech und der elektrische Wirkungsgrad mot bekannt, lässt sich aus der aufgenommenen elektrischen Leistung P mot die Zerspanleistung P c und daraus die Schnittkraft F c berechnen: D P ges Pc Fc Vc Fc 2 Sp V c : Sp Schnittgeschwindigkeit : Winkelgeschwindigkeit der Spindel D: Durchmesser des Werkstücks P c Pmot mot mech Genauere Werte erhält man nach dem Verfahren von Kienzle, der mit einem Biegebolzen das beim Zerspanen auftretende Moment gemessen hat. 5.2 Direkte Messung Die meisten Kraftmessverfahren sind Wegmessverfahren. Ein elastischer Körper verformt sich nach dem Hooke schen Gesetz unter der Einwirkung von Kräften. Die Verformung wird mit passiven Aufnehmern Dehnungsstreifen oder induktiven Weggebern in ein elektrisches Messsignal umgesetzt und gemessen. Eine Juni 2011 Dipl.-Ing.(FH) T.Erhard, Tel.: (0511) Seite 9 von 15

10 Ausnahme bildet die Piezo-Quarz-Kraftmesszelle als aktiver Aufnehmer. Bei diesem Gebertyp wird der Effekt ausgenutzt, dass bestimmte Quarze unter Druck ihre Ladungsverteilung ändern. Ein früherer Nachteil, dass sich nur dynamische Vorgänge erfassen lassen, ist durch die Konstruktion moderner Ladungsverstärker praktisch beseitigt. Der Piezo-Quarz-Aufnehmer misst nahezu weglos. Zerspankraftmessgeräte werden als Ein-, Zwei- und Dreikomponenten-Messgeräte ausgeführt. Um ein möglichst genaues Ergebnis zu erhalten, sind folgende Anforderungen an das Messsystem zu stellen: - eine hohe Eigenfrequenz des Messsystems, d.h. eine statistische und dynamische Steifigkeit, die der Charakteristik einer normalen Werkzeugspannung entspricht; - eine hohe Empfindlichkeit bei geringen Messwegen (zur Vermeidung von unerwünschten Änderungen der Eingriffsverhältnisse); - eine geringe gegenseitige Beeinflussung der einzelnen Kraftkomponenten; - eine große Messsicherheit, d.h. ungehinderter Spanablauf, leichte Einmessung, geringe Hysterese- und Nullpunktfehler und geringe Temperaturbeeinflussung; - eine universelle Einsatzmöglichkeit, d.h. großer Messbereich, geringe Baugröße, Verwendung normaler Werkzeuge und gute Anpassung an vorhandene Werkzeugmaschinen und Messgeräte. 5.3 Ausführungen einiger Zerspankraftmessgeräte Einkomponenten-Zerspankraftmessgerät nach Schallbroch-Schaumann Der Messstahlhalter (Bild 8) besteht aus einem starren Gehäuse a, in dem ein Pendelkörper d schwenkbar um e gelagert ist. In diesem Pendelkörper wird der Meißel mittels der Spannschrauben b eingespannt und die auf ihn wirkende Schnittkraft auf eine Messfeder f übertragen. Juni 2011 Dipl.-Ing.(FH) T.Erhard, Tel.: (0511) Seite 10 von 15

11 Bild 8: Einkomponenten-Zerspankraftmesser nach Schallbroch-Schaumann Der Zerspankraftmesser besitzt zwei Messbereiche: im Messbereich 1 für F c = N stützt sich die Messfeder auf dem Bolzen g ab. Der Bolzen h ist drehbar gelagert und auf einer Seite angeflacht. Dreht man die Fläche von der Messfeder weg, stützt diese sich auf h ab und es ist der Messbereich 2 für F c = 300 bis 5000 N eingeschaltet. Bolzen i ist eine Überlastsicherung. Auf dem Pendelkörper ist eine Spule c befestigt, an dem Gehäuse der Anker k. Der Luftspalt und damit die Induktivität ändert sich mit der Schnittkraft F c. Eigenfrequenz f c = 270 Hz Dreikomponenten-Zerspankraftmessgerät mit Piezo-Quarz-Aufnehmern Das Zerspankraftmessgerät (Bild 9) besitzt vier piezoelektrische Kraftmesszellen, die zwischen Grund- und Deckplatte mit je N vorgespannt sind. Der eigentliche Aufnehmer besteht aus drei Quarz-Paaren, von denen das mittlere die Schnittkraft F c anzeigt. Die beiden anderen sind als Schubquarze ausgebildet und in ihrer Wirkungsrichtung um 90 o versetzt eingebaut, so dass mit ihnen F f und F p gemessen werden können. Die gegenseitige Beeinflussung der Komponenten wird elektrisch kompensiert; die Eigenfrequenz liegt zwischen 3 khz (F f ) und 5 khz (F c ). Juni 2011 Dipl.-Ing.(FH) T.Erhard, Tel.: (0511) Seite 11 von 15

12 Bild 9: 3-Komponenten-Schnittkraftmesser 6 Versuchsaufbau 6.1 Versuchsmaschine Für die Versuche zum allgemeinen Maschinenlabor wird die folgende Maschine mit ihren dargestellten Spezifikationen eingesetzt. CNC-Schrägbett Drehmaschine MD10S Antriebsleistung: P A = 50 kw Drehzahl (stufenlos): min -1 Spitzenweite: 1000 mm Max. Drehdurchmesser: 400 mm 12 - fach Revolverscheibe 6.2 Zerspankraftmessgerät Es wird der unter beschriebene Dreikomponenten-Zerspankraftmessgerät mit Piezo-Quarzaufnehmer (Dynamometer) einschließlich Ladungsverstärker und Anzeigeinstrumenten eingesetzt. 6.3 Werkstück Werkzeug Werkstückstoff: C45N (R m = N/mm 2 ) Juni 2011 Dipl.-Ing.(FH) T.Erhard, Tel.: (0511) Seite 12 von 15

13 Drehmeißel: Schneidstoff: Verfahren: Wendeplattenhalter mit Wendeschneidplatten (WSP) Oxidkeramik oder Hartmetall Längsdrehen mit Variation der Maschineneinstellgrößen: - Vorschub f - Schnittgeschwindigkeit v c. 7 Literatur /1/ Degener, W; Lutze, H.; Smejkal, E.: Spanende Formung - Theorie, Berechnung, Richtwerte, VEB Verlag Technik, Berlin, 1978 /2/ N.N.: Begriffe der Zerspantechnik - Bewegung und Geometrie des Zerspanvorganges, DIN 6580, 1985 /3/ N.N.: Fertigungsverfahren Spanen, Drehen, DIN 8589 Teil 1, 1982 /4/ Paucksch, E.: Zerspantechnik, Vielweg Verlag, Braunschweig/Wiesbaden, 7.Aufl /5/ Shaw, M.C.: Metal Cutting Principles, Oxford University Press, New York, 1984 /6/ Spur, G.; Stöferle, T.: Handbuch der Fertigungstechnik, Band 3/1 Spanen, Carl Hanser Verlag, München/Wien, 1979 /7/ Tönshoff, H.K.; Denkena, B.: Spanen, Springer-Verlag, 2.Aufl /8/ Vieregge, G.: Zerspanung der Eisenwerkstoffe, Verlag Stahleisen m.b.h., Düsseldorf, 2.Aufl Juni 2011 Dipl.-Ing.(FH) T.Erhard, Tel.: (0511) Seite 13 von 15

14 AML Aufgabenblatt: Zerspankraftmessung beim Drehen 1. Stellen Sie den Verlauf der Schnittkraft F c, der Vorschubkraft F f und der Passivkraft F p a) über dem Vorschub f b) über der Schnittgeschwindigkeit v c graphisch dar. 2. Berechnen Sie die spezifische Schnittkraft k c und tragen Sie diese im logarithmischen Maßstab (entsprechendes Papier) über der Spanungsdicke h auf. 3. Bestimmen Sie den Hauptwert der spezifischen Schnittkraft k c1.1 und den Anstiegswert der spez. Schnittkraft 1-z c. Vergleichen Sie die Werte mit denen, die dem Diagramm im Umdruck entnommen werden können. 4. Diskutieren Sie die Kurven aus 1b und 2 (Ursachen, Einflüsse, Gründe). 5. Begründen Sie die veränderte Spanform bei steigender Schnittgeschwindigkeit v c und erhöhtem Vorschub f. Was ist der Unterschied zwischen Spanform und Spanart? 6. Welche Kriterien zählen Sie zu einer guten Zerspanbarkeit? Bild: Spanformklassen Organisatorisches: Protokoll: Abgabe: Nachbesprechung: 1 Protokoll pro Teilgruppe In der Woche der Versuchsdurchführung Mittwochs, in der Woche nach der Versuchsdurchführung, in gleicher Reihenfolge wie bei der Versuchsdurchführung, ab 14:00, Dauer: 30 min pro Gruppe Juni 2011 Dipl.-Ing.(FH) T.Erhard, Tel.: (0511) Seite 14 von 15

15 AML Messprotokoll: Zerspankraftmessung beim Drehen Schneidstoff: Al 2 O 3 / HW K15 Werkstückstoff: C45N Schneidengeometrie: r ,8 mm Schnittgeschw. Vorschub Schnitttiefe Schnittkraft Passivkraft Vorschubkr. Span- v c in m/min f in mm a p in mm F c in N F p in N F f in N form Richtung in Messung 150 0, , , , , , , , , ,15 1 Name (in Blockschrift) Matr-.Nr. Versuchsdatum: Gruppe: Juni 2011 Dipl.-Ing.(FH) T.Erhard, Tel.: (0511) Seite 15 von 15