Spannfutter mit integrierter Kraftmessung M.Hobler, G.Neugebauer, F. Timmler, T. Jäger, pro-micron GmbH & Co. KG,Innovapark 20, 87600 Kaufbeuren 1 Einleitung Beim HSC (high speed cutting) bzw. HPC (high performance cutting) sind Maschinen und Werkzeuge hohen Belastungen ausgesetzt. Um hierbei den jeweiligen Zerpanungsprozess überwachen bzw. optimieren zu können, ist es notwendig, die beim Fräsen auftretenden Kräfte und Momente möglichst nahe am Schnittpunkt von Werkstück und Werkzeug zu erfassen. Dies ermöglicht der von promicron entwickelte Werkzeughalter mit integrierter Kraftmessung. Dieser misst die Biege-, Zug-, und Druckkräfte sowie das auftretende Drehmoment direkt an der Spannzangenaufnahme und übermittelt diese per Funk an einen nicht spindelnahen Empfänger. Somit entfällt die sonst nötige Verkabelung an der Werkzeugmaschinespindel. Des Weiteren zeichnet sich das von pro-micron entwickelte System durch die hohe Steifigkeit und die Eignung für den 5-Achs- Fräsprozess aus. 2 Systemübersicht Den Werkzeughalter mit integrierter Kraftmessung gibt es für die Werkzeugspannsysteme vom Typ HSK A-63, A-80, A-100, SK-40 und SK-50. Werkzeughalter Messelektronik PC oder Maschinensteuerung Bild 1: Systemübersicht: Die Messelektronik wird auf einem Handelsüblichen Werkzeughalter (Steilkegel oder Hohlschaftkegel) integriert und übertragt die Prozessparameter drathlos z.b. an einen PC oder die Maschinensteuerung 1
3 Technische Beschreibung Die auftretenden Belastungen am Werkzeughalter werden über Dehnungsmesstreifen (DMS) erfasst. Der optimale Messort für die jeweilige Belastung wurde mit Hilfe der Finite-Elemente Simulation (FEM) ermittelt. Aufgrund der hohen Steifigkeit von Werkzeughaltern werden zur Erfassung der Materialspannungen hochauflösende Halbleiter-DMS eigesetzt. Die Digitalisierung der Messwerte und die Signalkonditionierung erfolgt auf dem integrierten Ultra-Low-Power Microcontroller. Die Messdaten werden anschließend im 2.45 GHz ISM-Band per Funk an eine Lesestation übertragen. 2
4 Systemaufbau Werkzeughalter Elektronik zur Messwerterfassung und Datenübertragung Bild 2: Integration der Elektronik auf dem Werkzeughalter Die gesamte Elektronik ist auf einer mehrlagigen flexiblen Leiterplatte aufgebaut, welche zusammen mit den flexiblen Li-Polymer-Akkus und den DMS-Sensoren auf dem Werkzeughalter integriert wird. Der radialsymmetrische Aufbau und das geringe Systemvolumen sind dabei für die Vermeidung von Unwuchten von großer Bedeutung. 5 Biegemomentmessung bei unterschiedlichen Werkstoffen In eine Aufnahme aus Aluminium (AlCuMgPb-F37) wurden unterschiedliche Materialien verschraubt. Die Breite der eingebrachten Profile beträgt 15mm, so dass gleichzeitig alle 4 Schneiden des Schaftfräsers (Ø = 10mm) im Eingriff sein können. Zusätzlich existieren ein Freiraum und drei Langlöcher mit unterschiedlichen Breiten (4, 6 und 8mm). Bei dem im Versuch durchgeführten Zerspanprozess erzeugt der Fräser, bei einer Drehzahl n = 1000 U/min mit einem konstanten Vorschub f = 60mm/min und einer Schnitttiefe a p = 1mm, in Vorschubrichtung eine Nut (siehe Bild 3). Dabei werden die Bild 3: Aufnahme mit gefräster Nut 3
verschiedenen Profile, die Aufnahme aus Aluminium und das Langloch (6mm Breite) zerspant. Der Kurvenverlauf des Biegemomentes, in Bild 4, gibt die Rahmenbedingungen (unterschiedliche Materialien, Freiraum und Langloch) sehr exakt wieder. Bild 4: Biegemomentenverlauf So erfährt der Fräser im Bereich des Einsatzstahls (16MnCr5), Baustahls (S235JR) und des V2A (X5CrNi18-10) die größte Belastung. Das Biegemoment im Bereich Al Messing (CuZn39Pb3) Al ist aufgrund der ähnlichen Zugfestigkeiten fast gleich. Gut zu erkennen ist auch der Bereich des PVC U, der das niedrigste Biegemoment Bild 5: Schematische Darstellung hervorruft. Neben dem abnehmenden Biegemoment am Langloch wurden auch Eintritt, Freiraum und Austritt registriert. 4
Die Zugfestigkeiten der einzelnen Werkstoffe sind abschließend in der folgenden Tabelle aufgeführt. Material Gruppe Zugfestigkeit Rm in [N/mm 2 ] nach DIN 53455 16MnCr5 Einsatzstahl 880-1180 S235JR unlegierter Baustahl 340-470 CuZn39Pb3 Messing > 360 PVC - U Polyvinylchlorid (hart) 50-75 X5CrNi18-10 nichtrostender Stahl (V2A) 500-700 AlCuMgPb-F37 Aluminium > 370 Tabelle 1: Zugfestigkeiten der einzelnen Werkstoffe 6 Detailansicht des Biegemomentenverlaufs beim Schneideneingriff bzw. Schneidenaustritt Die hohe Messauflösung des Systems ermöglicht die präzise Erfassung der Schnittkräfte die auf jede einzelne Fräserschneide wirkt. Bild 6: Eintrittskurvenverlauf des Fräsers 5
Bild 7: Austrittskurvenverlauf des Fräsers So zeigt Bild 6 den Verlauf des Biegemoments beim Eintritt des Schaftschlichtfräsers in die Aluminiumaufnahme. In Bild 7 ist der Biegemomentenverlauf beim Fräseraustritt dargestellt. Der oszillierende Signalverlauf des Biegemoments ergibt sich aus der Anordnung der Sensorelemente, die während einer Spindelumdrehung Zug-, bzw. Druckbelastungen erfahren. 6