Mechatronische Werkzeuge Integration von Mechatronik verbessert die Dämpfungseigenschaften von Werkzeugen

Autor / Redakteur: Bernd Aschenbach / Rüdiger Kroh

Die Forderungen von Anwendern an Zerspanungswerkzeuge, diese bis in die Grenzbereiche der möglichen Schnittparameter einsetzen zu können, sowie der Einsatz auf unterschiedlichen Maschinenkonzepten setzen gute Dämpfungseigenschaften der Werkzeuge voraus. Mit Hilfe von Sensorik und Aktorik sind Werkzeuge mit verbesserten Eigenschaften möglich.

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Unterschiedliche Eigenschaften von Bearbeitungsmaschinen, die notwendige maschinenunabhängige Einsetzbarkeit der Werkzeuge, oft komplexe Bearbeitungsabläufe und die Forderung nach ständig steigenden Zerspanungsleistungen bringen den Bearbeitungsprozess nicht selten an seine Stabilitätsgrenzen. Die Gefahr auftretender Schwingungen im Hochleistungsprozess erfordert dann Werkzeuge mit besonderen Dämpfungseigenschaften.

Werkzeugdämpfung lässt sich mit Mechatronik konstruktiv beeinflussen

Die Dämpfung eines Werkzeuges lässt sich bereits konstruktiv in bestimmten Grenzen durch eine geeignete Werkstoffwahl sowie die geometrische Gestaltung beeinflussen. Die Wahl des Schneidstoffes, der Geometrie und der Parameter bietet weitere Möglichkeiten, Einfluss auf die Prozessdynamik zu nehmen. Es sind bereits Werkzeuge mit speziellen dämpfenden Einbauten bekannt. Typische konstruktive Lösungen in Werkzeugen, zum Beispiel in Bohrstangen, sind mit Masseelementen aufgebaute Viskositätsdämpfer nach dem Prinzip des Lanchester-Schwingungstilgers.

Unter Berücksichtigung der vorhandenen Erkenntnisse wurden in der GFE Schmalkalden zwei Werkzeuglösungen mit aktiver Dämpfung erarbeitet, deren Grundprinzipien sich wie folgt darstellen lassen:

  • Dämpfung von vorhandenen Schwingungen durch ein integriertes schnelldrehendes Kreiselsystem.
  • Verhinderung oder Minimierung der Schwingungsgefahr durch eine Inprocess-Modifikation der Schneidenlage an Werkzeugen.

Bild 1 zeigt realisierte Lösungen im Einsatz auf einem Bearbeitungszentrum.

Schwingungsdämpfung durch integriertes Kreiselsystem

Zur Dämpfung von fremderregten Schwingungen, beispielsweise durch den Zahneingriff des Werkzeuges bei der Bearbeitung, ist ein permanent angetriebener schnelldrehender Kreisel nahe an der Wirkstelle, also der Stelle mit der größten Schwingungsamplitude, platziert.

Lagestabilisierende Kreisel werden in technischen Systemen in den unterschiedlichsten Ausführungen eingesetzt. Bei spanenden Werkzeugen ist der Einsatz von Kreiseln zur Schwingungsdämpfung allgemein bislang nicht bekannt.

Das bei einem rotierenden, geführten Kreisel und radialer Systemverlagerung infolge Schwingungserregung auftretende statische Kreiselmoment MK wirkt über die resultierenden Lagerkräfte radial lagestabilisierend auf das Werkzeug. Das aus diesem Ansatz heraus im Prototyp realisierte Konzept des lagergeführten Kreisels ermöglicht eine bezüglich des zu dämpfenden Frequenzspektrums breitbandige Wirkung.

Bild 2 zeigt die wichtigsten physikalischen Grundlagen. Ziel bei der Auslegung ist das Erreichen eines hohen Kreiselmomentes MK und daraus resultierend hoher Lagerkräfte FA,B. Konstruktiv lassen das Massenträgheitsmoment J und die Drehfrequenz ω des Kreisels eine Optimierung zu. So wurden Kreisel aus verschiedenen Materialien wie Stahl und Schwermetall getestet.

Außer der Begrenzung der beiden Größen J und ω durch die geometrischen Gegebenheiten im Werkzeug stellen sich die Eigenschaften des Antriebes und der Energieversorgung in das rotierende Werkzeug gleichfalls begrenzend dar. Daher wurde ein Kompromiss aus dem verfügbaren Anlauf- und Drehmoment beim Beschleunigen des Kreisels in Verbindung mit dem eingesetzten Gleichstrommotor gefunden. Im konkreten Fall wurde der Anlaufmotorstrom begrenzt und damit die Hochlaufzeit an die Leistung der induktiven Energieübertragung von etwa 50 bis 60 W bei 24 V angepasst. Alternativ zum Elektromotor sind Kreiselantriebe auf der Basis von Druckluft oder Kühlschmierstoff über die innere Kühlmittelzufuhr der Maschinenspindel einsetzbar.

Bei Fräsdorn wurde eine Dämpfung von 30% erreicht

Bei dem realisierten und getesteten Prototyp handelt es sich um einen Fräsdorn nach DIN 6558 mit einem Aufnahmedurchmesser von 32 mm und einem HSK63. Die Lagerung des Kreisels wurde für Drehzahlen bis 25 000 min-1 ausgelegt und besteht aus selektierten Spindellagern mit geringer Lagerreibung.

Für die Bearbeitung von Probewerkstücken aus einer Aluminiumlegierung mit einem gleichgeteilten, 7-schneidigen Aufsteckmesserkopf (Durchmesser 100 mm) zeigt Bild 3 die erreichte Dämpfung der Zahneingriffsfrequenz von 1050 s-1 in radialer Richtung bei einer Werkzeugdrehzahl von 9000 min-1 im Vergleich bei ausgeschaltetem und bei mit 19 000 min-1 rotierendem Kreisel. Es konnte dabei eine Dämpfung von etwa 30% erreicht werden.

Inprocess-Modifikation der Schneidenlage

Neben der Dämpfung von auftretenden Schwingungen im Prozess ist es auch möglich, durch Modifikation der Schneidengeometrie an einem Werkzeug im Prozess die schwingungsinduzierenden Kraftkomponenten zu minimieren. Ein Beispiel dafür ist der kombinierte Einsatz von Breitschlichtschneiden mit konventionellen Ausführungen auf einem Messerkopf.

Bei der Bearbeitung von Werkstücken mit zerspanungstechnisch partiell instabilen Bereichen kann es durch hohe Passivkräfte beim Einsatz von Breitschlichtschneiden dort zu Schwingungen kommen. Durch ein hochdynamisches Zurücksetzen der zu den übrigen Schneiden axial vor- und radial zurückstehenden Breitschlichtschneiden lassen sich die Vorteile der einzelnen Schneidentypen in einem Prozess nutzen.

Stellsignale aus den Prozess steuern einzelne Schneiden zueinander

Die praktische Umsetzung erfolgte durch ein Werkzeug (Bild 1b) mit sogenannter inprocess-modifizierbarer Schneidengeometrie derart, dass in Abhängigkeit von aus dem Prozess generierten Stellsignalen einzelne Schneiden zueinander verstellt werden. Bild 4 zeigt das realisierte Konzept.

Im Ergebnis wurde ein symmetrisch aufgebautes Werkzeug mit sehr guten Wuchteigenschaften entwickelt (Bild 5) und im Einsatz auf einem Bearbeitungszentrum mit Motorspindel und HSK63-Schnittstelle getestet. Für eine hohe statische und dynamische Steifigkeit und bedingt durch den hohen Grad der Kerbung des Werkzeugrundkörpers infolge der notwendigen Bauräume kam für den Grundkörper ein hochfester CrNi-Vergütungsstahl zum Einsatz. Ein am Deckel und am Grundkörper umlaufendes Keilprofil verspannt das Werkzeug zusätzlich bei der Montage.

Durch entsprechende Auswahl und Platzierung der Bauteile im Werkzeug sowie einer prozesssicheren Abdichtung der Bewegungsmechanik und der Elektronikein-bauten gegen Kühlschmierstoffe konnte eine sichere Einsatzdrehzahl bis etwa 7000 min–1 nachgewiesen werden. Die Übertragung der notwendigen Elektroenergie in das Werkzeug hinein erfolgt induktiv. Die serielle Datenübertragung erfolgt durch induktive HF-Kopplung unter Berücksichtigung der gesetzlichen EMV-Bestimmungen.

Zerspanungsversuche belegen die Funktionsfähigkeit

Der maximale, durch die Piezoaktoren und die beiden übersetzenden Koppelgetriebe vorgegebene Verstellweg beträgt 0,4 mm. Die genauen Endlagen werden durch feinjustierbare Endanschläge realisiert. Eine hochgenaue Regelung der Schneidenlage ist im Ergebnis weiterer Arbeiten prinzipiell möglich.

Bei Zerspanungsversuchen an Zylinderköpfen und Getriebegehäusen aus Aluminiumlegierungen konnte die Funktionsfähigkeit des Werkzeuges nachgewiesen werden. Die notwendige axiale Lagekorrektur des Werkzeuges für einen axialen Schneidenrückzug der beiden Funktionsschneiden kann über die CNC des Bearbeitungszentrums erfolgen.

Mit der Entwicklung, dem Bau und dem Test von Werkzeugen mit Schwingungsminimierung unter realen Bedingungen wurde die Realisierbarkeit der angestrebten Funktionen bei hohem Sicherheitsstandard nachgewiesen. Es konnten gute dynamische Eigenschaften, zum Beispiel die Breite des wirksam bedämpften Frequenzbereichs, erreicht werden. Mit den vorgestellten technischen Möglichkeiten werden gute Chancen für die technische Realisierbarkeit auf Bearbeitungszentren einschließlich eines entsprechenden Handlings unter Fertigungsbedingungen gesehen.

Dipl.-Ing. Bernd Aschenbach ist wissenschaftlicher Mitarbeiter im Institut für Werkzeugtechnik und Qualitätsmanagement (IWQ) der GFE e.V. in 98574 Schmalkalden, Tel. (0 36 83) 69 00-21, Fax (0 36 83) 69 00-16, b.aschenbach@gfe-net.de. Das diesem Beitrag zugrundeliegende Vorhaben „Mehrtechnologieorientierte, rekonfigurierbare Werkzeugmaschine – Meteor, Teilprojekt Werkzeugdämpfung“ wurde mit Mitteln des Bundesministeriums für Bildung und Forschung gefördert.

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