antriebstechnik 8/2018

Kraft F [N]
Kraft F [N]
F [N]
F [N]
04 Bestimmung der Zerspankraft im Einstechdrehversuch 05 Bestimmung der angepassten Koeffizienten
Einstechdrehversuch
Werkstoff:
42CrMo4
R m
= 950 N/mm 2
Prozessdaten:
v c
= 45 m/min
h cu
= f r
= 0,32 mm
Legende:
Schnittkraft
Drangkraft
Auswertebereich
2500
2000
1500
1000
500
0
–500
3,8 3,9 4 4,1 4,2 4,3 4,4 4,5 4,6 4,7 4,8 4,9 5
Zeit t [s]
4000
3000
2000
1000
0
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
h cu
[mm]
Bekannte Koeffizienten Neue Koeffizienten Mess-/Rechenwerte
a11 a 21
a 31
c ij
x a ij
a 11
* c 11
a 21
* c 21
a 31
* c 31
a 12
a 22
a 32
a 12
* c 12
a 22
* c 22
a 32
* c 32
a 13
* c 13
a 23
* c 23
a 33
* c 33
a 13
a 23
a 33
F i
= b · A 1
· (h cu
+ A 2
· (1– e – ))
Mess-/Rechenwerte
h cu
[mm]
n
∑ s 2 = min
i
i=1
h cu
[mm]
v c
h cu
A 3
A 1
= C 11
a 11
+ C 21
a 21
· e – c 31
a 31
Möglichkeit das Modell für verschiedene Werkstoffe anzupassen.
Dies wirkt sich insbesondere positiv auf die Genauigkeit des Modells
im Bereich kleinerer Spanungsdicken im Bereich von
h cu
= 0–100 µm aus [GUTM88].
Auf Grund der komplexen Prozesskinematik des Wälzfräsens ist
eine Berechnung der Spanungsgeometrien nur rechnergestützt
sinnvoll. Hierzu wurde am Werkzeugmaschinenlabor der RWTH
Aachen die Fertigungssimulationssoftware SpartaPro entwickelt
[KLOC03, BREC14]. Das Vorgehen der Software ist in Bild 01 dargestellt.
Auf Grundlage von Werkzeug-, Werkstück- und Prozessparametern
findet eine geometrische Durchdringungsrechnung statt.
Anhand dieser Durchdringungsrechnung werden Prozesskennwerte
wie z. B. Spanungslängen und Spanungsdicken berechnet.
Zur Ermittlung der Zerspankraft wurden die Modelle nach Gutmann
und Bouzakis in der Software SpartaPro implementiert
[BOUZ81, GUTM88]. Für das Modell nach Gutmann ist zusätzlich
noch die Auswahl des Werkstoffes möglich. Die Datenbasis für
diese Werkstoffkennwerte wurde von Gutmann entwickelt und in
weiteren Arbeiten am Werkzeugmaschinenlabor der RWTH
Aachen weiterentwickelt und angepasst [GUTM88, KLOC07]. Zunächst
werden die in der Durchdringungsrechnung simulierten
Spanungsgeometrien als Spanungsquerschnitte über der abgewickelten
Schneidkante aufgetragen. Hierbei treten als Funktion vom
Werkzeugdrehwinkel definierte Spanungsdicken und -breiten auf.
Die eigentliche Berechnung der Zerspankraftkomponenten erfolgt
unter Verwendung des von Gutmann aufgestellten Berechnungsmodells.
Die Schnittkraft verläuft orthogonal, die Drangkraft parallel
zur Spanfläche. Um die Gesamtbelastung des Werkzeugs für alle
Schnitte zu ermitteln, werden die für jede Wälzstellung auftretenden
Belastungen über den Umfang kumuliert.
Zielsetzung und Lösungsweg
Das Ziel der in diesem Bericht zugrunde liegenden Untersuchungen
ist es, das Modell von Gutmann für die Zerspankraftberechnung
für die in der Verzahnungsherstellung eingesetzten Werkstoffe
Einsatzstahl und Vergütungsstahl zu optimieren und weiterzuentwickeln.
Die Untersuchungen sollen in einem Parameterfeld
durchgeführt werden, welches den heutigen Stand der Technik
überschreitet. Auf Basis der Untersuchungen werden die Koeffizienten
der Berechnungsmethode nach Gutmann angepasst, vgl.
Bild 02. Als Analogieversuch zur Ermittlung der Zerspankraft
unter definierten Bedingungen dient ein Drehversuch. Entgegen
den Arbeiten von Gutmann und Bouzakis wird ein Einstechdrehversuch
im ungebundenen Schnitt durchgeführt. Bei dem Einstechdrehversuch
wird der Einfluss der Schneidenecke auf die
Messergebnisse eliminiert. Auch wird das zu zerspanende Werkstück
so ausgeführt, dass ein unterbrochener Schnitt, wie er beim
Wälzfräsprozess vorliegt, resultiert. Mithilfe der im Analogieversuch
entstandenen Datensätze lässt sich für den Wälzfräsprozess
das bereits bestehende Berechnungsmodell von Gutmann optimieren.
Die Berechnungen erfolgen mithilfe der Simulationssoftware
SpartaPro.
Zur Verifikation des Modells werden mit dem Werkstoff, der bereits
im Analogieversuch eingesetzt wurde, Wälzfräsversuche
durchgeführt und die Zerspankräfte im Prozess gemessen. Die
Messergebnisse werden mit Zerspankraftberechnungen verglichen,
um Rückschlüsse auf die Modellgüte ziehen und den Effekt
der Optimierungsmaßnahmen bewerten zu können.
Analogieversuch zur Erhebung der Datenbasis
Der Versuchsaufbau ist in Bild 03 dargestellt. Die Versuche wurden
auf einer Drehmaschine vom Typ Gildemeister NEF480 durchgeführt.
Auf dem Werkzeugsupport der Maschine wurde die Kraftmessplattform,
ein Mehrkomponenten-Dynamometer, montiert.
Die Messplattform erlaubt die gleichzeitige piezoelektrische Aufnahme
der Schnitt-, Drang- und Passivkraft. Da diese Kräfte in
Messrichtung des Dynamometers zeigen, können sie direkt aufgenommen
und ausgewertet werden. Die Schnittkraft entspricht dabei
der in Richtung der Werkstückachse auftretenden Kraftkomponenten,
die Drangkraft ist senkrecht zur Schnittfläche orientiert.
Die aufgenommenen piezoelektrischen Signale werden durch
einem Messkraftverstärker verstärkt, am angeschlossenen Messrechner
in Kraftsignale konvertiert und dort aufgezeichnet.
Um die Genauigkeit der Vorhersage der beim Wälzfräsen auftretenden
Zerspankraftkomponenten zu steigern, wurden Werkstücke
konstruiert, mit denen der Wälzfräsprozess im Einstechdrehversuch
möglichst genau nachgebildet werden kann. Dies schließt sowohl
den ungebundenen als auch den unterbrochenen Schnitt ein.
Durch Einbringen von radialen Nuten in das Werkstück wird der
Einfluss der Schneidenecke eliminiert und daraus resultierend ein
mehrflankiger Span verhindert. Bei jeder Messung wird das Werkzeug
so platziert, dass sich die Schneidenecke in einer der Nuten
befindet. Im Zuge der Kraftmessung werden einzelne Stege, welche
die Breite b = 3 mm aufweisen, ausschließlich von der Hauptschneide
zerspant. Der unterbrochene Schnitt wird dadurch realisiert,
dass die radialen Nuten an zwei gegenüberliegenden Stellen
auf dem Umfang abgeflacht wurden. Analog zum Wälzfräsen entsteht
so eine Unterbrechung des Schnitts.
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