Isoloc / Fraunhofer-IPA

Kreissägewerkzeuge: elastomer-gedämpftes Flanschsystem

| Autor / Redakteur: Tim Mayer und Michael Raab / Frauke Finus

Entwicklung und Umsetzung eines elastomer-gedämpften Testspannflansches.
Entwicklung und Umsetzung eines elastomer-gedämpften Testspannflansches. (Bild: Isoloc)

Das Schwingungsverhalten von Kreissägewerkzeugen beeinflusst maßgeblich die minimal erzeugbare Schnittfugenbreite, die Schnittqualität sowie die Intensität der im Prozess auftretenden Geräuschemission. Aus dieser Motivation heraus untersucht das Fraunhofer-IPA zusammen mit Isoloc Möglichkeiten einer Schwingungsreduzierung durch das Einbinden schwingungsdämpfender Elastomere im Bereich der Flanscheinspannung.

Bei Sägeanwendungen existieren bereits zahlreiche Konzepte und Lösungen zur Schwingungsdämpfung des Stammblatts. Diesen Lösungen ist gemeinsam, dass sie zumeist mit größeren geometrischen Eingriffen am Stammblatt selbst verbunden sind (Dehnungsschlitze, Kupferniete, Laserornamente, Füllstoffe). Dadurch werden in der Regel zusätzliche Bearbeitungsschritte innerhalb der Prozesskette der Werkzeugproduktion und in manchen Fällen auch noch eigene Nachbearbeitungsschritte notwendig. Alternativ zu dieser Herangehensweise können schwingungsdämpfende Maßnahmen auch ohne Beeinflussung des Werkzeugkörpers umgesetzt werden. Den nächstliegenden Angriffspunkt für das Einbringen einer solchen Maßnahme stellt dabei der Spannflansch, als Bindeglied zwischen Werkzeug und Antriebswelle, dar. Da die Einspannfläche am Spannflansch in der Regel ein Drittel der Werkzeugfläche abdeckt, ist hier eine Beeinflussung der Schwingungsparameter (Amplitude, Schwingfrequenz) durch das gezielte Einbringen von Dämpfungsschichten in Teilbereichen der Flanschfläche möglich. Dies betrifft sowohl Schwingungen, welche von der Motorwelle ins Werkzeug übertragen werden, als auch die am Werkzeug entstehende Betriebsschwingung.

Um geeignete Dämpfungsschichten im Versuch ermitteln zu können, wurde am Fraunhofer-IPA ein vereinfachter Flansch-Prototyp gefertigt, welcher den schnellen Wechsel zwischen unterschiedlichen Elastomer-Einsätzen erlaubt. Die darin getesteten Elastomere werden von Isoloc üblicherweise zur Optimierung des Schwingverhaltens großer Bearbeitungszentren eingesetzt. Damit ein entsprechender Effekt auch am Sägeflansch beurteilt werden konnte, wurden drei vorausgewählte Elastomertypen innerhalb des Prototyps integriert und danach untersucht. Die Eignungsfeststellung des jeweiligen Typs wurde anhand des Abklingverhaltens der Strukturen in Verbindung mit einem eingespannten Sägewerkzeug vorgenommen (Werkzeugaußendurchmesser 350 mm, Stammblattstärke 2,2 mm). In Vorversuchen wurde zunächst das statische Verhalten von Spannflansch und Werkzeug in Kombination mit den drei vorausgewählten Elastomer-Einsätzen untersucht. Dazu ist für jede Variante jeweils das Ausschwingverhalten am Referenzwerkzeug ermittelt worden. Der Vorversuch wurde am stehenden Werkzeug unter einmaliger Anregung des Stammblatts durch einen Modalhammerschlag im Randbereich vorgenommen. Die Erfassung der resultierenden Ausschwingkurve erfolgte dabei über ein 90 Grad senkrecht zur Stammblattfläche messendes Laservibrometer. Das Ausschwingverhalten der gedämpften Prototypvarianten (Codierung: L, I und G) konnte dann mit einem ansonsten baugleichen, konventionellen Flanschsystem abgeglichen werden. Vergleichskriterien waren die Ausschwingzeit, die Abklingkonstanten sowie die modalen Dämpfungsgrade.

Anhand der ermittelten Messwerte konnte ein direkter Zusammenhang zwischen den im Prototyp eingesetzten Isoloc-Elastomerscheiben sowie den damit erzielbaren Dämpfungseigenschaften für die Kombination Werkzeug-Spannflansch nachgewiesen werden. Eines der getesteten Elastomere erwies sich dabei als besonders vorteilhaft: Es konnten Reduzierungen der Ausschwingzeiten um über 50 % sowie eine Verdopplung der Abklingkonstante festgestellt werden. Darüber hinaus fielen die modalen Dämpfungsgrade der ersten sechs Eigenfrequenzen um den Faktor 2 bis 3 höher aus als jene eines vergleichbaren, ungedämpften Flanschsystems (beobachtetes Frequenzfenster: 0 kHz bis 1 kHz).

Verbessertes Schwingungsverhalten im Betrieb

Um die positiven Ergebnisse des Vorversuchs auch im Betriebszustand bestätigen zu können, wurden anschließend dynamische Untersuchungen mit rotierendem Werkzeug durchgeführt. Hierbei erfolgte erneut der direkte Vergleich zwischen einem konventionellen und dem Elastomer-gedämpften Prototypen. Der Prototyp wurde mit der vielversprechendsten Elastomervariante aus den statischen Vorversuchen ausgestattet (Isoloc Typ L). Durch eine stufenweise Erhöhung der Werkzeugdrehzahlen (500, 1.000, 1.300 U/min) wurden mehrere Betriebszustände abgebildet. Dabei ist fortlaufend die Schwingungsamplitude im Außenbereich des Sägewerkzeugs mit Hilfe eines Lasertriangulators aufgenommen worden.

Auch im Betriebszustand ließ sich eine deutliche Reduzierung der Schwingungsneigung am Sägewerkzeug mit 350 mm Außendurchmesser beobachten. Dies äußerte sich in einer Verringerung der Schwingungsamplitude um circa 50 % in allen drei getesteten Drehzahlbereichen. Um das Ergebnis auch zweifelsfrei auf das eingesetzte Test-Elastomer vom Typ L zurückführen zu können, wurde der Versuch auch nochmal für den Prototypen ohne integriertes Elastomer wiederholt. Dieser Versuch zeigte zum konventionellen Flanschsystem vergleichbare Amplitudenwerte. Das heißt, dass der beobachtete Dämpfungseffekt nicht auf geometrische Änderungen zur Aufnahme der Elastomer-Einsätze zurückzuführen ist, sondern auf das integrierte Elastomer selbst. Das Einbringen von Dämpfungsschichten in Spannflanschen birgt erhebliches Potenzial für den praktischen Einsatz. Für den Werkzeugdurchmesser von 350 mm konnte in den Versuchsreihen eine Halbierung der Betriebsschwingung im Randbereich des Sägeblatts festgestellt werden. Diese Reduzierung war über mehrere Drehzahlbereiche hinweg erkennbar. Auch Messungen des Abklingverhaltens und eine Betrachtung der modalen Dämpfungsgrade zeigten durchgehend positive Effekte. Das neue Flanschsystem soll nun zusammen mit Prolock und Isoloc speziell für Anwendungen in der Holzbearbeitung weiterentwickelt werden. In einem nächsten Schritt ist eine Übertragung des Grundprinzips innerhalb einer Plattenzuschnitt-Anlage mit Werkzeugdurchmessern bis 650 mm vorgesehen. Dadurch sollen sich auch die Praktikabilität der neuen Flanschlösung im Eingriff mit dem Werkstoff sowie etwaige positive Auswirkungen auf die Schnittqualität abschätzen lassen.

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