Zerspankraftmessung 1

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2 Zerspankraftmessung 1 Inhalt 1 Einleitung Versuhsaufbau, verwendete Mashinen, Messgeräte und Werkzeuge Versuhsaufbau Mashinen, Werkzeuge und Messgeräte Grafishe Darstellung der Zerspankraftkomponenten und der spezifishen Zerspankräfte Variation der Shnitttiefe Variation des Einstellwinkels Variation des Vorshubes Interpretation der Messergebnisse Grafishe Ermittlung der spezifishen Kenngrößen bei Variation des Vorshubes Logarithmishe Darstellung Ablesen der Kenngrößen der spezifishen Shnittkraft Interpretation der Ergebnisse Anwendung der spezifishen Kenngrößen am Beispiel Randbedingungen Berehnung der erforderlihen Shnittleistung Berehnung der spezifishen Shnittkraft Berehnung der Shnittkraft Berehnung der Shnittleistung Einfluss des Spanwinkels auf die Leistung Literaturvergleih Abshließende Betrahtung Verwendete Literatur...9

3 Zerspankraftmessung 2 1 Einleitung Ziel dieses im Rahmen der Vorlesung Fertigungsverfahren 2 durhgeführten Versuhes war die Messung der Zerspankraft beim Drehen, aufgenommen in drei Versuhsreihen zur Variation von Shnitttiefe, Einstellwinkel und Vorshub, jedoh zerlegt in die drei Komponenten Shnittkraft, Vorshubkraft und Passivkraft. Im praktishen Teil des Laborversuhes wurde von unserer Arbeitsgruppe allerdings lediglih die Messreihe mit veränderlihem Vorshub durhgeführt, während die Messwerte der beiden anderen Reihen bereits auf Datenträger vorlagen. Jede Reihe bestand aus drei von den Messbedingungen her identishen Durhläufen mit jeweils 2 Abtastwerten für jeden variierten Parameter, aus denen zur statishen Absiherung der Daten arithmetishe Mittelwerte gebildet wurden, sodass letztlih für jede Kraftkomponente und veränderte Einstellung jeweils genau ein Wert zur Verfügung stand. Die vorliegende Versuhsauswertung hatte die grafishe Darstellung dieser Messdaten, die Berehnung spezifisher Kenngrößen aus den Werten, sowie die Interpretation der Ergebnisse zum Gegenstand. 2 Versuhsaufbau, verwendete Mashinen, Messgeräte und Werkzeuge 2.1 Versuhsaufbau 2.2 Mashinen, Werkzeuge und Messgeräte Drehmashine: Kräfte- Messgerät: Firma Shaerer, Industriewerke Karlsruhe Typ PD 5 Baujahr 1961 Spitzenhöhe 15 mm Spitzenweite mm Drei-Komponenten- Zerspankraft- Messplattform mit Ladungsverstärker Fa. Kistler AG Winterthur CH Typ 9257 B Drehmeißel Shneidstoff: Hartmetall- Wendeshneidplatten Komet P25M

4 Zerspankraftmessung 3 3 Grafishe Darstellung der Zerspankraftkomponenten und der spezifishen Zerspankräfte 3.3 Variation der Shnitttiefe a p in mm A in mm² F p in N k p in N/mm² F f in N k f in N/mm² F in N k in N/mm² 1,,2 2,578 12,891 87, ,53 418,133 29,663 2,,4 367,35 918, , , , ,985 3,,6 543,244 95,47 182,91 33, , ,496 4,,8 732,33 915, ,581 36, , ,296 Messung 1 - Variation der Shnitttiefe v = 96 m/min; f =,2 mm HM-Wendeshneidplatten-Halter mit Komet P25M χ = 75 ; γ = 12 Werkstoff: 9SMn Zerspankraft in N 8 6 Fp in N Ff in N F in N 4 2 1, 2, 3, 4, Shnitttiefe in mm 25 2 spezifishe Zerspankraft in N/mm² 15 kp in N/mm² kf in N/mm² k in N/mm² 5 1, 2, 3, 4, Shnitttiefe in mm

5 Zerspankraftmessung Variation des Einstellwinkels χ in b in mm h in mm F p in N k p in N/mm² F f in N k f in N/mm² F in N k in N/mm² 45 4,243, , , , , , , ,464,173 44,39 733, , , , , ,16, , , , , , , ,,2 84,311 14, , , , ,311 Messung 2 - Variation des Einstellwinkels v = 96 m/min; f =,2 mm; ap = 3 mm HM-Wendeshneidplatten-Halter mit Komet P25M γ = 12 Werkstoff: 9SMn Zerspankraft in N 8 6 Ff in N Fp in N F in N Einstellwinkel in 3 25 spezifishe Zerspankraft in N/mm² 2 15 kp in N/mm² kf in N/mm² k in N/mm² Einstellwinkel in

6 Zerspankraftmessung Variation des Vorshubes f in mm h in mm F p in N k p in N/mm² F f in N k f in N/mm² F in N k in N/mm²,8,77 237, ,615 53,93 337,63 359, ,547,12, , ,818 85, , , ,721,2, ,86 917,15 126, , , ,67,3,29 384,116 64,193 16, , ,7 1746,784,5,483 46,15 46,15 272,11 272, , ,11 Messung 3 - Variation des Vorshubs v = 96 m/min; ap = 2 mm HM-Wendeshneidplatten-Halter mit Komet P25M γ = 12 Werkstoff: 9SMn Zerspankraft in N Fp in N Fp in N interpoliert Ff in N Ff in N interpoliert F in N F in N interpoliert Linear (Fp in N) Linear (Ff in N) Linear (F in N) 2,8,18,28,38,48,58 Vorshub in mm 25 2 spezifishe Zerspankraft in N/mm² 15 kp in N/mm² kp interpoliert kf in N/mm² kf interpoliert k in N/mm² k interpoliert 5,8,18,28,38,48 Vorshub in mm

7 Zerspankraftmessung Interpretation der Messergebnisse Für die Darstellung der Zerspankräfte über der Shnitttiefe (Messung 1) ergeben sih laut. W. Degner: Spanende Formung, S. 82f. eigentlih Ursprungsgeraden. Zwar ist in unseren Diagrammen die lineare Proportionalität ebenfalls eindeutig erkennbar, jedoh erhalten wir hier Ahsenabshnitte. Dies ist wohl darauf zurükzuführen, dass in den Literaturwerten, im Gegensatz zu unserer Messung, die Reibungskraft vom Werkzeug auf dem Werkstük sowie Auswirkungen der Oberflähenverfestigung herausgerehnet wurden. Noh deutliher wird dieser Effekt bei der Betrahtung der spezifishen Zerspankräfte, denn dort hätten sih ja zwangsläufig waagerehte Geraden ergeben müssen. Stattdessen sind die Grafen besonders im unteren Bereih leiht abfallend. Die Erhöhung des Einstellwinkels (2. Messung) führte bei der Passivkraft erwartungsgemäß zu einer fallenden Kurve, da die Passivkraft ja nur die radiale Komponente einer in der Shneidenebene senkreht auf der Shneide stehenden Kraft (Reaktion auf die Normalkraft) ist. Auf die axiale Komponente, die Vorshubkraft, ist der Einfluss, ebenso wie auf die Shnittkraft dagegen eher gering, da der Spanungsquershnitt ja konstant blieb. Geringfügige Veränderungen sind dabei mit den durhgeführten Messungen kaum zu klären. Das Diagramm für Messung 3 zeigt, dass mit steigendem Vorshub die Zerspankraftzunahme geringer wird. Nah W. Degner: Spanende Formung, S. 85f. ist dies auf eine Erhöhung der Oberflähenverfestigung zurükzuführen, die bei konstant bleibendem (weil maximalem) Gesamtumformgrad im Werkstoff den Anteil der Spanumformung kleiner werden lässt. Bei der Darstellung der spezifishen Werte, welhe ja den Tangentensteigungen der Kräfte entsprehen, hat das fallende Kurven zur Folge. 4 Grafishe Ermittlung der spezifishen Kenngrößen bei Variation des Vorshubes 4.1 Logarithmishe Darstellung Messung 3 - Variation des Vorshubs v = 96 m/min; ap = 2 mm HM-Wendeshneidplatten-Halter mit Komet P25M γ = 12 Werkstoff: 9SMn28 Spezifishe Zerspankraft in N/mm² (logarithmish) y = 237,86x -,155 y = 1351,7x -,227 y = 292,18x -,6537 kp in N/mm² kf in N/mm² k in N/mm² Potenziell (kf in N/mm²) Potenziell (kp in N/mm²) Potenziell (k in N/mm²) 1,1,1 1 Spanungsdike h in mm (logarithmish)

8 Zerspankraftmessung Ablesen der Kenngrößen der spezifishen Shnittkraft Für die Gleihung der Ausgleihsgerade im logarithmishen Diagramm lesen wir ab: y = 13517, x -, 227 Darin ist: y k ( h) 2 N = in und x = h in mm mm Die Funktion lautet also: k ( h) = 1351, 7, 227 Somit erhalten wir für den Hauptwert: k 1.1 = k ( h = 1mm) = 1351, 7 2 und für den Spanungsdikenexponent: m = log k ( h) =, 227 h 1 h N mm 4.3 Interpretation der Ergebnisse Um die ermittelten Werte mit Tabellenwerten vergleihen zu können, müssen die maßgeblihen Shnittbedingungen ebenfalls gleih sein. Unsere Messungen wurden mit einem Spanwinkel γ = + 12 durhgeführt, die Tabelle im Tabellenbuh Metall, Verlag Europa-Lehrmittel, S. 274 weist jedoh nur Werte für γ = + 6 aus, sodass eine Korrektur der Ergebnisse vorgenommen werden muss. Nun gilt nah W. Degner: Spanende Formung, S. 91, dass eine Erhöhung des Spanwinkels um 1 eine Zunahme der Shnittkraft um a. 1,5% zur Folge hat, unsere Messergebnisse somit um rund 9% über dem theoretishen Vergleihswert liegen. Dieser beträgt für den Hauptwert k 1. 1 demnah etwa N / mm und ist deutlih niedriger als der aus der Tabelle für 9SMn28 von 131N / mm. Auh der errehnete Spanungsdikenexponent m ist mit über,2 um mehr als 1 % zu groß (Tab.:,18), d.h. die berehnete Ausgleihsgerade ist zu steil. Hier zeigt sih die eingeshränkte Übertragbarkeit der Versuhsergebnisse auf andere Shnittbedingungen. Die Messungen wurden im Laborversuh für einen relativ shmalen Bereih (,77mm h, 483mm ) durhgeführt, die Ausgleihsgerade bei der Berehnung der Kenngrößen jedoh bis h = 1mm verlängert, sodass Messunsiherheiten leiht zu großen Abweihungen sowohl für den Hauptwert als auh für die Steigung führen können. Dazu passt, das sih die Werte bei einer gedahten Drehung der Gerade gegen den Uhrzeigersinn in die rihtige Rihtung bewegen. Dennoh werden im folgenden Berehnungsbeispiel unsere Messergebnisse zu Grunde gelegt. 5 Anwendung der spezifishen Kenngrößen am Beispiel 5.1 Randbedingungen Vorgabewerte: Shnittgeshwindigkeit: v = 3 m/s Vorshub: f =,8 mm Shnitttiefe: a p = 8 mm Wellendurhmesser: d = 5mm Spanwinkel: γ = -6 Einstellwinkel: χ = 75 Messwerte: Hauptwert der spezifishen Shnittkraft: k 1.1 = 1351,7 N/mm² Spanungsdikenexponent: m =,227

9 Zerspankraftmessung Berehnung der erforderlihen Shnittleistung Berehnung der spezifishen Shnittkraft h = f sin χ =, 8mm sin75 =, 7727mm k = 13517, N/mm² h -, 227 -, 227 k = 13517, N/mm², 7727 = 1424, 23N/mm² Berehnung der Shnittkraft F 8mm sin75 1-m p = b h k 11. mit: b = = = 8, 28mm a sin χ 1-, 227 F = 8, 28mm, , N/mm² = 9112, 17 N Berehnung der Shnittleistung P m 51 s ( + 12 ) = F v = 9112, 17N 3 = 27336, W Einfluss des Spanwinkels auf die Leistung Pro Grad Zunahme des Spanwinkels reduziert sih P um 1,5% (vgl. W. Degner: Spanende Formung, S. 91). Somit wird: P (-6 ) = P ( + 12 ) ,15 1 ( 6) (-6 ) = 27336, 51W 127, = 34717, W P Literaturvergleih Literaturwerte für den Spanwinkel von +6 : Hauptwert der spezifishen Shnittkraft: k 1.1 = 131 N/mm² Spanungsdikenexponent: m =,18 Berehnung der Shnittleistung: F a sin χ 8mm sin75 1-m p = b h k11. mit: b = = = 8, 28mm 1-, 18 F = 8, 28mm, N/mm² = 878 N P P m 2634 s ( + 6 ) = F v = 878N 3 = W (-6 ) = P( + 6 ) ( 6) 6 1 +,15 1 (-6 ) = 2634W 118, = W P 3181

10 Zerspankraftmessung 9 Abweihung: P P 34717,37W 3181W P% = 1% = 1% = 11,7% P 3181W Wie bereits in Kapitel 4.3 ausgeführt, ist die enorme Abweihung von fast 12% vom Tabellenwert auf niht vergleihbare Shnittbedingungen und große Messunsiherheiten zurükzuführen. 6 Abshließende Betrahtung Der Versuh Zerspankraftmessung konnte die Zusammenhänge zwishen den Shnittgrößen bei Variation einzelner Parameter reht gut verdeutlihen. Besonders die grafishe Auswertung unter Zuhilfenahme der Fahliteratur trug zur Erhöhung des Verständnisses vom zugehörigen Vorlesungsstoff bei, während die Übertragung der Versuhsergebnisse auf ein wenig geeignetes Berehnungsbeispiel kaum für die Praxis sinnvolle Resultate erbrahte. Leider hatte sih bei der Versuhsdurhführung im Labor offensihtlih ein systematisher Fehler bei den Messungen mit veränderlihem Vorshub eingeshlihen, dessen Ursahe niht mehr aufgeklärt werden konnte. Es waren in allen drei Messdurhläufen Messwerte mit niht plausiblem Verlauf aufgenommen worden. Die Systematik ließ ein Problem bei der Vorshubeinstellung vermuten, ohne dass jedoh eine Erklärung dafür abgegeben werden konnte. So mussten der Auswertung Daten aus einer anderen Versuhsreihe, jedoh mit identishen Parametern zugrundegelegt werden. Deshalb sind auh qualitative Aussagen direkt übertragbar: Es wurden überwiegend Reißspäne erzeugt, die bei Erhöhung des Vorshubs von zusammenhängend in gebrohen übergingen. Die gespante Oberflähe muss selbst beim geringsten Vorshub als geshruppt, also eher rauh, bezeihnet werden, was bei der eingestellten Shnitttiefe und Spanen ohne Kühlshmierung jedoh zu erwarten war. Eine Werkzeugabnutzung durh die Spanabnahme konnte im gesamten Versuhsverlauf niht festgestellt werden. Der Einfluss der veränderten Shnitteinstellungen auf die einzelnen Zerspankraftkomponenten wurde bereits im Kapitel 3 näher untersuht. 7 Verwendete Literatur Vorlesungsskript Fertigungsverfahren 2 und Versuhsbeshreibung Prof. Dr.-Ing. K. Peters Sommersemester 23 Tabellenbuh Metall Verlag: Europa- Lehrmittel 41. Auflage, 1999 W. Degner, H. Lutze, E. Smejkal: Spanende Formung Carl Hanser Verlag 14., durhgesehene Auflage, 2 Fertigungstehnik 1 Verlag: Handwerk und Tehnik