antriebstechnik 8/2018

erechnetes Spindelmoment M [Nm]
08
Vergleich der Spindelmomente für Vergütungsstahl
Kraftmessungen:
150
Spindelstrommessung
Werkstück:
m n
= 1– 4 mm
42CrMo4
Schnittdaten:
v c
= 100–260 m/min
f a
= 2–3 mm
Gleichlauf/Gegenlauf
M Sp
120
der Zusammensetzung als auch in der Festigkeit dem bearbeiteten
Werkstoff am nächsten kommt. Für eine Geschwindigkeit von
v c
= 40 m/min und einen Vorschub von f a
= 3,5 mm sind der gemessene
und der berechnete Momentenverlauf in Bild 06 für eine
Werkzeugumdrehung dargestellt. Zusätzlich zu den Berechnungen
auf Basis der neu erzeugten Zerspankraftwerte ist eine Berechnung
mit den alten Parametern nach Gutmann dargestellt. Der Mittelwert
der nach dem erweiterten Modell berechneten Kräfte weicht
von den Messwerten um 4,1 % ab. Die Berechnung nach Gutmann
hingegen liegt um 19,8 % unterhalb dieser Werte. Der gemessene
Kraftverlauf weist einen höheren dynamischen Anteil als der berechnete
Kraftverlauf auf. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass die
Rechnungen rein statisch durchgeführt werden und daher keine
dynamischen Einflüsse, die z. B. aus den Nachgiebigkeiten von Maschine
und Aufbau resultieren, berücksichtigt werden können. Die
Charakterisierung des Kraftverlaufs wird sehr gut wiedergegeben.
Für die Bearbeitung von Einsatzstahl wurden im industriellen
Umfeld umfangreiche Spindelstrommessungen durchgeführt und
mit den berechneten Spindelmomenten verglichen. Es wurde bei
den Messungen im industriellen Umfeld versucht das Bearbeitungsfeld
bestmöglich zu erfassen. Es konnten Messungen von
Modul 1,5 mm < m n
< 18 mm durchgeführt werden. Auch der Prozessparameterbereich
wurde von 40 m/min < v c
< 400 m/min und
1,5 mm < f a
< 6 mm umfangreich abgebildet. Die Ergebnisse des Vergleichs
zwischen berechneten und gemessene Spindelmoment ist
in Bild 07 dargestellt. Die Modellgüte weist ein Bestimmtheitsmaß
von R² = 0,968 auf.
Für den Vergütungsstahl 42CrMo4 konnte aufgrund der geringen
Verbreitung nicht so ein umfangreiches Bearbeitungsfeld wie beim
Einsatzstahl untersucht werden. Der Vergleich zwischen dem
berechnetem und gemessenem Spindelmoment ist in Bild 08
dargestellt. Die Messungen wurden im Bereich von Modul 1
mm < mn < 4 mm durchgeführt. Der Prozessparameterbereich
wurde von 100 m/min < v c
< 260 m/min und 2 mm < f a
< 3 mm variiert.
Bei der Kraftberechnung von Vergütungsstahl zeigt sich eine
gute Übereinstimmung aus Berechnung und Messung. Das Berechnungsmodell
für Vergütungsstahl hat ein Bestimmtheitsmaß von
R² = 0,98.
Zusammenfassung und Ausblick
90
60
30
Bestimmtheitsmaß:
R 2 = 0,98
0
0 30 60 90 120 150
gemessenes Spindelmoment M [Nm]
Für Verzahnungsprozesse ist die genaue Kenntnis der beim Schnitt
auftretenden Belastungen von großer Bedeutung. Die resultierende
Zerspankraft bestimmt die Dimensionierung von Prozessparametern
und Maschinenkomponenten. Auch der gesamte Leistungsbedarf
einer Werkzeugmaschine ist proportional zur Zerspanleistung.
Zur genauen Bestimmung der Zerspankraft des Wälzfräsens wurden
in den 1980er Jahren Berechnungsmodelle auf Grundlage von
Analogieversuchen entwickelt [BOUZ81, GUTM88]. Diese sind in
der am WZL entwickelten Berechnungssoftware SpartaPro implementiert.
Die Zerspankraft wird auf Grundlage der im Prozess gebildeten
Späne mithilfe einer Durchdringungsrechnung berechnet.
Die von Gutmann und Bouzakis berechneten Zerspankraftmodelle
wurden auf Grundlage von Prozessparametern aufgestellt, welche
den heutigen Stand der Technik nicht gänzlich abdecken.
Zur Optimierung der Berechnungen wurde ein Analogieversuch
entwickelt, durch den die Zerspankräfte im ungebundenen, unterbrochenen
Schnitt gemessen werden können. So kann der Einfluss
der Schneidenecke bei der Bestimmung der Zerspankraftwerte
eliminiert werden. Der Versuch basiert auf dem Einstechdrehen.
Im entwickelten Versuchsaufbau wurden Zerspankräfte für Einsatzstahl
und für Vergütungsstahl ermittelt. Die Versuche wurden
bei Schnittgeschwindigkeiten von v c
= 20 m/min bis 750 m/min
durchgeführt.
Die ermittelten Koeffizienten wurden in das Berechnungsprogramm
SpartaPro implementiert. Zur Verifikation des Modells wurden
Zerspankraftmessungen im industriellen Umfeld durchgeführt.
Ein Vergleich der berechneten und der gemessenen Spindelmomente
zeigt mit einem Bestimmtheitsmaß von R² = 0,968 für Einsatzstahl
und R² = 0,98 für Vergütungsstahl gute Übereinstimmung.
Neben den klassischen Verzahnungswerkstoffen Einsatzstahl
und Vergütungsstahl wird auch Gusseisen ADI zur Zahnradherstellung
eingesetzt, welches eine Herausforderung bezüglich der Zerspanung
darstellt. Zur Bearbeitung von ADI in der Zahnradherstellung
gibt es noch wenige Forschungsergebnisse. Auch die Zerspankraftberechnung
von ADI wurde noch nicht untersucht. Daher soll
in der Zukunft die Zerspankraftberechnung z. B. für Gusseisen ADI
erweitert werden.
Literaturverzeichnis:
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