Skript - IFW

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.
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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
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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
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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
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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
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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.
1927 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
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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
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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
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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
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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
5.3.1 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.
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Bild 8: Einkomponenten-Zerspankraftmesser nach Schallbroch-Schaumann
Der Zerspankraftmesser besitzt zwei Messbereiche: im Messbereich 1 für F c = 30-1000N
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.
5.3.2 Dreikomponenten-Zerspankraftmessgerät mit Piezo-Quarz-Aufnehmern
Das Zerspankraftmessgerät (Bild 9) besitzt vier piezoelektrische Kraftmesszellen, die
zwischen Grund- und Deckplatte mit je 15000 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 ).
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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): 0 - 10.000 min -1
Spitzenweite:
1000 mm
Max. Drehdurchmesser: 400 mm
12 - fach Revolverscheibe
6.2 Zerspankraftmessgerät
Es wird der unter 5.3.2 beschriebene Dreikomponenten-Zerspankraftmessgerät mit
Piezo-Quarzaufnehmer (Dynamometer) einschließlich Ladungsverstärker und
Anzeigeinstrumenten eingesetzt.
6.3 Werkstück – Werkzeug
Werkstückstoff: C45N (R m = 600 – 800 N/mm 2 )
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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.
1987
/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. 2004
/8/ Vieregge, G.: Zerspanung der Eisenwerkstoffe, Verlag Stahleisen m.b.H.,
Düsseldorf, 2.Aufl. 1970
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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
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AML
Messprotokoll: Zerspankraftmessung beim Drehen
Schneidstoff: Al 2 O 3 / HW K15
Werkstückstoff: C45N
Schneidengeometrie:
r
6 ° -6 ° -6 ° 90 ° 75 ° 0,8 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 0,25 1
250 0,25 1
400 0,25 1
600 0,25 1
1000 0,25 1
400 0,40 1
400 0,30 1
400 0,25 1
400 0,20 1
400 0,15 1
Name (in Blockschrift)
Matr-.Nr.
Versuchsdatum:
Gruppe:
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